Die Entdeckung von Axionen könnte helfen, eine der rätselhaftesten Fragen der Physik zu beantworten

Eines der größten Rätsel der heutigen Physik ist das, was Wissenschaftler als „Starkes CP-Problem“ bezeichnen. Ausgehend von dem rätselhaften Phänomen, dass Neutronen nicht mit elektrischen Feldern interagieren, obwohl sie aus Quarks bestehen – kleineren, fundamentalen Teilchen, die elektrische Ladungen tragen –, stellt das Strong CP-Problem das Standardmodell der Physik bzw. die von Wissenschaftlern aufgestellten Theorien in Frage seit Jahren zur Erklärung der Naturgesetze verwendet.

Ein Team unter der Leitung theoretischer Physiker der University of Minnesota Twin Cities hat einen neuen Weg zur Suche nach Axionen entdeckt, hypothetischen Teilchen, die zur Lösung dieses Rätsels beitragen könnten. In Zusammenarbeit mit experimentellen Forschern des Fermilab National Accelerator Laboratory eröffnet die neue Strategie der Physiker bisher unerforschte Möglichkeiten, Axionen in Teilchenbeschleunigerexperimenten nachzuweisen.

Die Arbeit der Forscher wird veröffentlicht und als Vorschlag des Herausgebers in vorgestellt Briefe zur körperlichen Untersuchung.

„Als Teilchenphysiker versuchen wir, unser bestes Verständnis der Natur zu entwickeln“, sagte Zhen Liu, Co-Autor der Arbeit und Assistenzprofessor an der School of Physics and Astronomy der University of Minnesota. „Wissenschaftler waren im letzten Jahrhundert enorm erfolgreich bei der Suche nach Elementarteilchen mithilfe etablierter theoretischer Rahmenbedingungen. Daher ist es äußerst rätselhaft, warum Neutronen nicht an elektrische Felder koppeln, denn nach unserer bekannten Theorie würden wir das erwarten. Wenn wir das Axion entdecken.“ „Es wird ein großer Fortschritt in unserem grundlegenden Verständnis der Struktur der Natur sein.“

Eines der wichtigsten Mittel zur Untersuchung subatomarer Teilchen und möglicherweise zur Entdeckung neuer Teilchen sind Collider-Experimente. Im Wesentlichen zwingen Wissenschaftler Teilchenstrahlen zur Kollision – und wenn sie aufeinander treffen, erzeugt die von ihnen erzeugte Energie andere Teilchen, die einen Detektor passieren, sodass Forscher ihre Eigenschaften analysieren können.

Die von Liu und seinem Team vorgeschlagene Methode beinhaltet die Messung des „Zerfallsprodukts“ – oder was passiert, wenn sich ein instabiles schweres Teilchen in mehrere leichtere Teilchen verwandelt – des hypothetischen Axions in zwei Myonen – bekannte Teilchen, die im Wesentlichen die schwerere Version des Elektrons sind. Indem sie von den Myonenspuren im Detektor aus rückwärts arbeiten, um solche Zerfälle zu rekonstruieren, glauben die Forscher, dass sie eine Chance haben, das Axion zu lokalisieren und seine Existenz zu beweisen.

„Mit dieser Forschung erweitern wir die Möglichkeiten, nach dem Axion-Teilchen zu suchen“, sagte Raymond Co, Co-Autor der Arbeit und Postdoktorand an der University of Minnesota School of Physics and Astronomy und dem William Fine Theoretical Physics Institute. „Noch nie haben Menschen den Axion-Zerfall in Myonen als Möglichkeit zur Suche nach dem Axion-Teilchen in Neutrino- oder Collider-Experimenten genutzt. Diese Forschung eröffnet neue Möglichkeiten, um den Weg für zukünftige Unternehmungen auf unserem Gebiet zu ebnen.“

Liu und Co. stehen zusammen mit Kun-Feng Lyu, Postdoktorand für Physik und Astronomie an der University of Minnesota, und Soubhik Kumar, Postdoktorand an der University of California, Berkeley, hinter dem theoretischen Teil der Forschung. Sie sind Teil der ArgoNeuT-Kollaboration, die Theoretiker und Experimentatoren aus dem ganzen Land zusammenbringt, um Teilchen durch Experimente im Fermilab zu untersuchen.

In diesem Artikel arbeitete das theoretische Team unter der Leitung der University of Minnesota mit den experimentellen Forschern zusammen, um mithilfe ihrer neuen Methode und vorhandenen Daten aus dem ArgoNeuT-Experiment eine Suche nach Axionen durchzuführen. Die Forscher planen, die experimentellen Ergebnisse zu nutzen, um ihre theoretischen Berechnungen der Axion-Produktionsrate in Zukunft weiter zu verfeinern.