Ein Geist spukt durch unser Universum. Dies ist in der Astronomie und Kosmologie seit Jahrzehnten bekannt. Beobachtungen deuten darauf hin etwa 85 % Die gesamte Materie im Universum ist geheimnisvoll und unsichtbar. Diese beiden Eigenschaften spiegeln sich in ihrem Namen wider: Dunkle Materie.
Mehrere Experimente haben versucht, herauszufinden, woraus es besteht, aber trotz jahrzehntelanger Suche sind die Wissenschaftler nicht weitergekommen. Jetzt Unser neues Experimentdas an der Yale University in den USA im Aufbau ist, bietet eine neue Taktik.
Dunkle Materie umgibt seit jeher das Universum und zieht Sterne und Galaxien zusammen. Es ist unsichtbar und subtil und scheint nicht mit Licht oder anderen Materiearten zu interagieren. Tatsächlich muss es etwas völlig Neues sein.
Das Standardmodell der Teilchenphysik ist unvollständig, und das ist ein Problem. Wir müssen nach neuen Elementarteilchen suchen. Überraschenderweise geben die gleichen Mängel des Standardmodells wertvolle Hinweise darauf, wo sie verborgen sein könnten.
Das Problem mit dem Neutron
Nehmen wir zum Beispiel das Neutron. Zusammen mit dem Proton bildet es den Atomkern. Obwohl die Theorie insgesamt neutral ist, besagt sie, dass sie aus drei geladenen Teilchen besteht, die Quarks genannt werden. Aus diesem Grund würden wir erwarten, dass einige Teile des Neutrons positiv und andere negativ geladen sind – das würde bedeuten, dass es das hat, was Physiker eine nennen elektrisches Dipolmoment.
Noch, viele Versuche Um es zu messen, kam es zum gleichen Ergebnis: Es ist zu klein, um erkannt zu werden. Ein weiterer Geist. Dabei handelt es sich nicht um instrumentelle Unzulänglichkeiten, sondern um einen Parameter, der kleiner als ein Teil von 10 Milliarden sein muss. Es ist so winzig, dass man sich fragt, ob es überhaupt Null sein könnte.
In der Physik ist die mathematische Null jedoch immer eine starke Aussage. In den späten 70er Jahren versuchten es die Teilchenphysiker Roberto Peccei und Helen Quinn (und später Frank Wilczek und Steven Weinberg). Theorie und Evidenz unter einen Hut bringen.
Sie schlugen vor, dass der Parameter möglicherweise nicht Null ist. Es handelt sich vielmehr um eine dynamische Größe, die nach dem Urknall langsam ihre Ladung verlor und sich auf Null entwickelte. Theoretische Berechnungen zeigen, dass, wenn ein solches Ereignis eingetreten wäre, eine Vielzahl leichter, heimtückischer Teilchen zurückgeblieben sein müssten.
Diese wurden nach einer Waschmittelmarke „Axionen“ genannt, weil sie das Neutronenproblem „klären“ konnten. Und noch mehr. Wenn Axionen im frühen Universum erschaffen wurden, sind sie seitdem im Umlauf. Am wichtigsten ist, dass ihre Eigenschaften alle Erwartungen an Dunkle Materie erfüllen. Aus diesen Gründen sind Axionen zu einem der beliebtesten Kandidatenteilchen für Dunkle Materie geworden.
Axionen würden nur schwach mit anderen Teilchen interagieren. Dies bedeutet jedoch, dass sie immer noch ein wenig interagieren würden. Die unsichtbaren Axionen könnten sich sogar in gewöhnliche Teilchen verwandeln, darunter – ironischerweise – Photonen, die eigentliche Essenz des Lichts. Dies kann unter bestimmten Umständen passieren, beispielsweise bei Vorhandensein eines Magnetfelds. Das ist ein Glücksfall für Experimentalphysiker.
Experimentelles Design
Viele Experimente versuchen, den Axion-Geist in der kontrollierten Umgebung eines Labors hervorzurufen. Einige zielen beispielsweise darauf ab, Licht in Axionen umzuwandeln und diese dann auf der anderen Seite einer Wand wieder in Licht umzuwandeln.
Der derzeit empfindlichste Ansatz zielt mit einem Gerät namens Haloskop auf den Halo aus dunkler Materie ab, der die Galaxie (und damit die Erde) durchdringt. Es handelt sich um einen leitenden Hohlraum, der in ein starkes Magnetfeld eingetaucht ist. Ersteres fängt die uns umgebende dunkle Materie ein (vorausgesetzt, es handelt sich um Axionen), während letzteres die Umwandlung in Licht induziert. Das Ergebnis ist ein elektromagnetisches Signal, das im Inneren des Hohlraums erscheint und mit einer charakteristischen Frequenz schwingt, die von der Axionmasse abhängt.
Das System funktioniert wie ein Empfangsradio. Es muss richtig eingestellt werden, um die Frequenz abzufangen, die uns interessiert. In der Praxis werden die Abmessungen des Hohlraums geändert, um verschiedene charakteristische Frequenzen zu berücksichtigen. Wenn die Frequenzen des Axions und des Hohlraums nicht übereinstimmen, ist das so, als würde man ein Radio auf den falschen Kanal einstellen.
Welchen Kanal wir suchen, lässt sich leider nicht im Voraus vorhersagen. Wir haben keine andere Wahl, als alle potenziellen Frequenzen zu scannen. Es ist, als würde man einen Radiosender in einem Meer aus weißem Rauschen – einer Nadel im Heuhaufen – mit einem alten Radio auswählen, das jedes Mal, wenn wir den Frequenzknopf drehen, größer oder kleiner werden muss.
Doch das sind nicht die einzigen Herausforderungen. Die Kosmologie weist darauf hin Dutzende Gigahertz als neueste, vielversprechende Grenze für die Axion-Suche. Da höhere Frequenzen kleinere Hohlräume erfordern, wären für die Erkundung dieser Region Hohlräume erforderlich, die zu klein sind, um eine sinnvolle Signalmenge zu erfassen.
Neue Experimente versuchen, alternative Wege zu finden. Unser Axion Longitudinal Plasma Haloskop (Alpha)-Experiment verwendet ein neues Hohlraumkonzept, das auf Metamaterialien basiert.
Metamaterialien sind Verbundwerkstoffe mit globalen Eigenschaften, die sich von denen ihrer Bestandteile unterscheiden – sie sind mehr als die Summe ihrer Teile. Ein mit leitfähigen Stäben gefüllter Hohlraum erhält eine charakteristische Frequenz, als wäre er eine Million Mal kleiner, während er sein Volumen kaum verändert. Genau das brauchen wir. Darüber hinaus verfügen die Stäbe über ein integriertes, einfach einstellbares Stimmsystem.
Wir bauen derzeit das Setup auf, das in einigen Jahren für die Datenerfassung bereit sein wird. Die Technologie ist vielversprechend. Seine Entwicklung ist das Ergebnis der Zusammenarbeit von Festkörperphysikern, Elektrotechnikern, Teilchenphysikern und sogar Mathematikern.
Obwohl sie so schwer zu fassen sind, treiben Axionen einen Fortschritt voran, den kein Geist jemals zunichtemachen kann.
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