Wissenschaftler der Durham University und des Kings College London haben in einer neuen Studie eine theoretische Übersicht vorgelegt, die die Suche nach Axion-Dunkelmaterie stark unterstützt.
Die Identität der Dunklen Materie, die 85 % der Materie im Universum ausmacht, ist eine der großen unbeantworteten Fragen der Teilchenphysik.
Wissenschaftler wissen von seiner Existenz aufgrund seiner Gravitationswirkung auf Sterne und Galaxien, aber um welche Art von Teilchen es sich handelt, bleibt immer noch ein Rätsel.
Die Forscher analysierten, wie Axionen mathematisch beschrieben werden können, und stellten dar, wie sie mit den fundamentalen Symmetrien des Standardmodells der Teilchenphysik zusammenhängen.
Das Axion erklärt, warum die starke Wechselwirkung – die Kraft, die Quarks in Protonen und Neutronen aneinander bindet – der Zeitumkehrsymmetrie gehorcht. Das bedeutet, dass auf subatomarer Ebene Prozesse, die durch die starke Wechselwirkung verursacht werden, bei umgekehrter Zeitrichtung gleich aussehen würden.
Warum die starke Wechselwirkung der Zeitumkehrsymmetrie gehorcht, ist noch unbekannt. Das Axion ist eine beliebte Lösung für dieses Rätsel.
Die dunkle Axion-Materie verhält sich eher wie ein Feld, das das Universum bedeckt, als wie einzelne Teilchen. Im frühen Universum beginnt der Wert des Axionfeldes hin und her zu oszillieren. Die Energie, die in diesen Schwingungen gespeichert ist, ist Axion-Dunkel-Materie.
Es ist bekannt, dass dunkle Materie jeglicher Art nur sehr schwach mit Licht wechselwirken kann, sonst wäre sie von Wissenschaftlern bereits gesehen worden. Die dunkle Axion-Materie interagiert nur sehr schwach mit Licht, aber wenn die Forscher Teleskopbeobachtungen genau betrachten, können sie möglicherweise Anzeichen dieser Wechselwirkung erkennen.
Beispielsweise würde ein Photon (ein Lichtteilchen), das sich durch ein Magnetfeld bewegt, mit geringer Wahrscheinlichkeit in ein Axion umgewandelt. Dieser Prozess würde ungewöhnliche Merkmale bei Teleskopbeobachtungen von Galaxien hervorrufen, die durch Magnetfelder scheinen.
Die vollständige Analyse der Studie wurde in veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte. Ein begleitendes Übersichtspapier – „Axion Dark Matter: How to see it?“ von Yannis Semertzidis und SungWoo Youn – zeigt, wie das Axion schon bald im Labor nachgewiesen werden könnte.
Die Co-Autorin der Studie, Dr. Francesca Chadha-Day, sagte: „Es ist eine sehr aufregende Zeit, eine Axion-Physikerin zu sein. Noch kennt niemand die Identität der Dunklen Materie. Durch die Suche nach verschiedenen Möglichkeiten, wie dem Axion, hoffen wir darauf Löse eines Tages dieses Rätsel.“
Die Forscher hoffen, dass diese Übersicht das Interesse und das Verständnis der Axionphysik innerhalb der breiteren Gemeinschaft von Physikern und Wissenschaftlern steigern wird.
Francesca Chadha-Day et al, Axion dunkle Materie: Was ist das und warum jetzt?, Wissenschaftliche Fortschritte (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abj3618. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj3618
Yannis K. Semertzidis et al., Axion Dark Matter: How to see it?, Wissenschaftliche Fortschritte (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abm9928. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm9928