Eine empfindliche neue Methode zum Nachweis von Teilchenwechselwirkungen im Labor wurde erstmals zur Suche nach Axionen, einer hypothetischen Form der Dunklen Materie, eingesetzt. Mithilfe eines sogenannten Spin-basierten Verstärkers gelang es einem internationalen Team von Physikern, die Axion-Masse innerhalb des vorhergesagten „Axion-Fensters“ von 0.01 meV auf 1 meV zu beschränken und damit die Lücke zwischen früheren Laborsuchen und astrophysikalischen Beobachtungen zu schließen.
Axionen wurden erstmals in den 1970er Jahren als Möglichkeit zur Erklärung eines herausragenden Rätsels in der Physik, das als Ladungsparitätsproblem bekannt ist, angenommen. Laut Theorie wären sie nach dem Urknall reichlich produziert worden und sollten sowohl ladungslos als auch viel weniger massiv als Elektronen sein, was bedeutet, dass sie sehr schwach mit Materie und elektromagnetischer Strahlung wechselwirken würden. Das macht sie zu einem beliebten Kandidaten für Dunkle Materie, eine mysteriöse Substanz, die den größten Teil der Materie des Universums zu bilden scheint und die Gravitationseigenschaften großer Objekte wie Galaxien beeinflusst.
Exotische Dipol-Dipol-Wechselwirkung
Das neue Axion-Suchverfahren nutzt eine weitere Vorhersage über das Verhalten von Axionen: Wenn Fermionen (Teilchen mit halbzahligem Spin) Axionen austauschen, sollten sie eine exotische Dipol-Dipol-Wechselwirkung erzeugen, die im Prinzip im Labor nachgewiesen werden könnte. In der neuesten Studie führte ein Team von Xinhua Peng dauert ebenfalls 3 Jahre. Das erste Jahr ist das sog. Universität für Wissenschaft und Technologie von China, zusammen mit Forschern unter der Leitung von Dmitri Budker von dem Helmholtz-Institut, Johannes Gutenberg-Universität, Mainz, Deutschland und UC Berkeley in den USA, kombinierte ein großes Ensemble aus polarisiertem Rubidium-87 (87Rb) Atome (eine Quelle von Elektronenspins) mit polarisiertem Xeon-129 (129Xe) Kernspins, um nach Beweisen für diese Wechselwirkung zu suchen.
Die Kernspins wirken als Verstärker für schwache Pseudomagnetfelder, die durch den Austausch von Axionen durch Elektronen erzeugt werden könnten, und Experimente zeigten, dass dieser Spin-basierte Verstärker externe Magnetfelder um mehr als das 40-fache verstärken könnte. „Die Axionen könnten dann sein durch die Messung dieses Feldes gesucht“, erklärt Peng. „Um nach Axionen mit Massen innerhalb des Axionfensters von 0.01 meV bis 1 meV zu suchen, stellen wir den Abstand ein 129Xe-spinbasierter Verstärker und die Rb-Spinquelle auf die Zentimeterskala.“
Die Technik ermöglichte es den Forschern, die Axion-Masse von 0.03 meV auf 1 meV zu beschränken, was in dem Bereich liegt, der von mehreren Theorien vorhergesagt wird, darunter Hochtemperatur-Gitter-QCD, das Standardmodell Axion Seesaw Higgs Portal Inflation (SMASH)-Modell und Axion-String-Netzwerke . „Bisher wurde bei bestehenden Laborsuchen (z. B. Hohlraumexperimenten wie ADMX) und astrophysikalischen Beobachtungen (z. B. SN1987A, Weiße Zwerge und Kugelsternhaufen) hauptsächlich nach Axionen mit Massen außerhalb dieses Fensters gesucht (mit Ausnahme des ORGAN-Experiments in Westaustralien)“, erzählt Peng Physik-Welt. „Unser Ergebnis reicht bis in den Parameterraum des Axionfensters und ergänzt bestehende astrophysikalische und Laborstudien zu möglichen Erweiterungen des Standardmodells.“
Verbesserung der experimentellen Empfindlichkeit
Laut Peng könnte die Technik weiter ausgebaut werden, um nach einer Vielzahl hypothetischer Teilchen jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik zu suchen, wie z. B. Z'-Bosonen und dunkle Photonen. „Mit unserer Technik können wir zum Beispiel nach einem breiten Spektrum exotischer Wechselwirkungen suchen, die durch neue Teilchen vermittelt werden, wie zum Beispiel Paraphotonen-vermittelte Wechselwirkungen, deren entsprechende Suchempfindlichkeit um viele Größenordnungen besser sein sollte als bestehende Beschränkungen“, sagt Peng. „Darüber hinaus können wir direkt nach axionähnlicher galaktischer dunkler Materie suchen, die mit dem Nukleon koppeln könnte, was eine Empfindlichkeit ermöglicht, die die bisherigen Laborgrenzen um mehrere Größenordnungen übertrifft und sogar über die hinausgeht, die durch astrophysikalische Beobachtungen erhalten wurden.“
Gequetschtes Licht verstärkt die Suche nach Axionen der Dunklen Materie
In der Zwischenzeit haben die Forscher, die ihre Arbeit im Detail beschreiben Physical Review Letters, sagen, dass sie versuchen werden, die Empfindlichkeit ihrer Technik gegenüber exotischen Wechselwirkungen weiter zu verbessern. Beispielsweise mit einem Verstärker basierend auf 3Die Elektronenspins oder Festkörperspinquellen wie optisch gepumpte Pentacenkristalle könnten dabei helfen, sagen sie.
