Uralt, überall und schwer zu fassen

Bei der Suche nach den Teilchen der Dunklen Materie gilt das Axion mittlerweile als Favorit – ein hypothetisches Elementarteilchen, das wie die Trägerteilchen der Grundkräfte und das Higgs zu den Bosonen gehört. Ein solches „dunkles“ Boson und das zu ihm gehörende Feld könnte nicht nur viele Eigenschaften der Dunklen Materie erklären, sondern auch einige Ungereimtheiten im Atomkern und in der Massenverteilung des Kosmos.

So alt wie der Kosmos?

Aus theoretischen Modellen geht hervor, dass das Axion-Feld – wenn es denn existiert – fast so alt sein muss wie der Kosmos selbst. Denn anders als die „normalen“ Teilchen entstand dieses Feld noch während des Urknalls bei einem ersten, symmetriebrechenden Phasenübergang des Universums. Dieser könnte noch vor der kosmischen Inflation stattgefunden haben – dem überlichtschnellen Expansionsschub, der einigen Theorien zufolge den Urknall einleitete.

„Wir wissen nicht, was die Dunkle Materie ist. Aber wenn sie irgendetwas mit Skalarteilchen zu tun hat, dann könnte sie älter sein als der Big Bang“, sagt Tommi Tenkanen von der Johns Hopkins University. Als sich das Universum mit diesem ersten großen Expansions-Schub abkühlte, begann das Axion-Feld zu oszillieren und aus diesen Wellen entstanden die Axionen – so die Hypothese.

Leicht, aber allgegenwärtig

Was aber ist ein Axion? Schon in den 1970er Jahren tauchten diese leichten Bosonen in theoretischen Modellen auf, die bestimmte Eigenheiten des Neutrons erklären wollten. Denn obwohl dieser Atomkern-Baustein aus Quarks verschiedener Farbladungen besteht, ist das Neutron neutral und bleibt dies selbst in der Spiegelwelt der Antimaterie oder bei einer Zeitumkehrung. Dieses sogenannte CP-Problem ließe sich aber lösen, so die Theorie, wenn es ein allgegenwärtiges Feld gibt, das die normalerweise auftretenden Asymmetrien ausgleicht. Dieses Feld wiederum hätte als Manifestation ein Elementarteilchen – das Axion.

„Wenn sie existieren, wären die Axionen wahrscheinlich viele Größenordnungen leichter als die meisten anderen Elementarteilchen des Standardmodells“, erklärt Kelly Backes von der Yale University. Wahrscheinlich haben diese Teilchen sogar eine noch geringere Masse als die fast masselosen Neutrinos. Das Axion dürfte zudem keinen Spin besitzen und kaum mit anderen Teilchen wechselwirken. „Wir wissen, dass die Interaktionen des Axions sehr schwach sein müssen, denn sonst hätten wir es längst entdeckt“, sagt Francesca Chadha-Day von der Durham University.

Und noch etwas geht aus den theoretischen Modellen hervor: Wenn das Axion das gesuchte Teilchen der Dunklen Materie ist, müsste es in hoher Dichte vorkommen. – nur dann kann es trotz seiner geringen Masse die Schwerkraft-Effekte der Dunklen Materie hervorbringen. Schätzungen zufolge könnten die leichten Bosonen im Außenbereich unseres Sonnensystems eine Dichte von rund 100 Billionen Teilchen pro Kubikzentimeter haben.

Verräterische Strahlung

Der Theorie zufolge gibt es aber Wechselwirkungen, durch die sich Axionen verraten könnten – und diese stimmen gut mit einigen Annahmen zur Dunklen Materie überein. So sagen die Modelle beispielsweise voraus, dass sich Axionen unter dem Einfluss starker Magnetfelder in energiereiche Photonen umwandeln können und umgekehrt. „Dieser Prozess ähnelt mathematisch der Oszillation der Neutrinos, hängt aber anders als bei ihnen entscheidend von der Stärke des Magnetfelds ab“, erklärt Chadha-Day.

Daraus ergibt sich, dass Axionen theoretisch auch bei Supernovae und sogar in normalen Sternen wie der Sonne entstehen könnten. „Selbst unsere Sonne könnte größere Mengen Axionen freisetzen“, so die Astrophysikerin. Diese könnten beispielsweise nachgewiesen werden, indem man diese Teilchen in Detektoren starken Magnetfeldern aussetzt und so zur Rückumwandlung in Photonen zwingt. Tatsächlich gibt es bereits erste Projekte wie das Axion Solar Telescope am Forschungszentrum CERN, die genau dies versuchen sollen.

Eine weitere potenziell verräterische Wechselwirkung ergibt sich über die Maxwellschen Gleichungen zum Elektromagnetismus. Dort könnten sich die Oszillationen des Axion-Felds durch Wechselwirkungen mit elektrischen und magnetischen Feldern verraten. „Diese Interaktion könnte sich in Messungen als zusätzliche elektrische Spannung oder ein anomales Magnetfeld bemerkbar machen“, erklärt Chadha-Day. Auch dies ist eine Eigenschaft, die einige Modelle auch für die Teilchen der Dunklen Materie vorhersagen.