Die Forscher unter Leitung von Professor Zoltan Fodor von der Bergischen Universität Wuppertal haben mithilfe des Supercomputers Juqueen am Forschungszentrum Jülich die Masse der Axionen vorhergesagt. Sie ist rund zehn Milliarden Mal kleiner als die Masse eines Elektrons – und die sind ja schon Leichtgewichte unter den Elementarteilchen.
Bewiesen ist damit die Existenz von Axionen noch nicht, doch es gibt nun einen Steckbrief, der die experimentelle Suche nach den Teilchen der Dunklen Materie deutlich erleichtern wird. Bereits seit Jahren fahnden Physiker an großen Teilchenbeschleunigern nach der Dunklen Materie – bislang jedoch ohne Erfolg.
Wettlauf um die Entdeckung des Axions
Es gibt mehrere theoretische Konzepte für mögliche Teilchen der Dunklen Materie, doch das Axion gilt als ein besonders aussichtsreicher Kandidat. Wenn die Forscher nun die Masse der Axionen kennen, können sie zielgenau in den entsprechenden Energiebereichen bei Beschleunigerexperimenten nach dem Teilchen fahnden.
„Unsere Forschungsergebnisse werden wahrscheinlich zu einem Wettlauf um die Entdeckung von Axionen führen“, sagt Fodor voraus. Experten gehen davon aus, dass sich mit den theoretischen Vorgaben der Wuppertaler Forscher innerhalb weniger Jahre wird entscheiden lassen, ob nun Axionen existieren oder nicht.
Im Falle einer Entdeckung dürfte ein Nobelpreis fällig werden – wahrscheinlich auch für jene Forscher, die jetzt die Grundlagen für die mögliche Sensation gelegt haben. Die Situation erinnert ein wenig an die Vorhersage des Higgs-Teilchens und die Vorgabe bestimmter Eigenschaften.
Erweiterung des Standardmodells ist nötig
Die gezielte Suche nach dem zunächst hypothetischen Higgs-Teilchen führte dann schließlich zum Erfolg. Am europäischen Forschungszentrum Cern bei Genf konnte das Higgs-Boson mit zwei unabhängigen Experimenten dingfest gemacht werden.
Um die Eigenschaften des Axions berechnen zu können, mussten die Wissenschaftler zunächst das Standardmodell der Physik erweitern, da sich dieses nur zur Beschreibung der gewöhnlichen Materie eignet.
„Die Theorie der Quanten-Chromodynamik wurde um sogenannte topologische Quantenfluktuationen erweitert“, erklärt der Physiker Andreas Ringwald vom Deutschen Elektronensynchrotron (Desy) in Hamburg. Er hatte den Anstoß zu den aktuellen Forschungsarbeiten gegeben.
Dunkle Materie zeigt zwar kaum Wechselwirkungen mit anderer Materie, übt aber wie diese Gravitationskräfte aus. Nur deshalb konnten Forscher die Existenz von Dunkler Materie erschließen.
Dunkle Materie hält Galaxien zusammen
So müssen sie etwa als Schwerkraft-Kitt in großen Spiralgalaxien wie unserer Milchstraße enthalten sein, damit diese nicht aufgrund der Zentrifugalkraft auseinanderfliegen. Aus zahlreichen Messungen, unter anderem des europäischen Forschungssatelliten „Planck“, konnten die Forscher ableiten, dass knapp ein Viertel des Universums aus Dunkler Materie besteht.
Die Computersimulationen ergaben, dass die Masse eines Axions zwischen 50 und 1500 Millionstel Elektronenvolt liegen muss. Das Elektronenvolt ist eine in der Teilchenphysik übliche Energie- und Masseneinheit. Zum Vergleich: Ein Elektron hat eine Masse von rund 511.000 Elektronenvolt.
Daraus können die Forscher ableiten, dass jeder Kubikzentimeter des Universums im Durchschnitt zehn Millionen Axionen enthält. Diese sind aber keinesfalls gleichmäßig im All verteilt. Vielmehr formen sie Klumpen – zum Beispiel im Bereich der Milchstraße.
In unserer kosmischen Heimat, so rechnen die Physiker vor, würden sich in jedem Kubikzentimeter eine Trillion Axionen aufhalten – wenn es die denn tatsächlich gibt.
An dem Forschungsprojekt waren auch Wissenschaftler der Ungarischen Akademie der Wissenschaften in Debrecen, der Eötvös-Universität in Budapest, der Universität Saragossa in Spanien sowie Forscher des Max-Planck-Instituts für Physik in München beteiligt.
Quelle : welt.de
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