Axion
In der Physik bezeichnet Axion ein hypothetisches Elementarteilchen, auf dessen mögliche Existenz man durch das Problem der elektrischen Neutralität des Neutrons der Quantenchromodynamik gestoßen ist. Das Problem ergab sich, da es durch den Vakuumsterm der Quantenchromodynamik zu Quantenfluktuationen der elektrischen Felder des Neutrons kommen sollte und dadurch ein elekrisches Dipolmoment von existieren müsste. Stattdessen wurde selbst bei noch kein elekrisches Dipolmoment gemessen.
Das Problem wird auch als starkes CP-Problem bezeichnet.
Herleitung
Erhaltungsgröße Symmetrien
Von den grundlegenden diskreten Symmetrien C (Ladungsumkehr, das Austauschen aller Teilchen durch ihre Antiteilchen), P (Parität, Raumspiegelung) und T (Zeitumkehr, die Umkehr des Zeitpfeils), verletzt die starke Wechselwirkung nur P und C einzeln, nicht aber die Kombination CP. Eine Konsequenz ist das verschwindende elektrische Dipolmoment des Neutrons.
Einführung des Axion
Während der einfachste Ansatz der Quantenchromodynamik nur eine CP-Verletzung der starken Wechselwirkung erwarten ließe, gelingt es der Peccei-Quinn-Weinberg-Wilczek-Theorie die beobachtete CP-Invarianz zu erklären, sagt aber andererseits ein neues, leichtes, schwach wechselwirkendes Teilchen voraus, das Frank Wilczek nach dem amerikanischen Waschmittel Axion benannte.
Kandidat für dunkle Materie
Axionen werden, neben den ebenfalls nur postulierten WIMPs und MACHOs, als mögliche Kandidaten zur Lösung des Problems der dunklen Materie gehandelt.
Axionexperimente
Man teilt die Axionnachweisexperimente in drei Gruppen ein:
- Laborexperimente
- Helioskope
- Haloskope
Laborexperimente
Licht durch die Wandexperimente
Bei den Laborexperimente handelt es sich Licht durch die Wandexperimente, wobei ein Laserstrahl ein Magnetfeld passiert und danach durch eine Wand geblockt wird. Auf der anderen Seite der Wand befindet sich ein auf den Strahl senkrecht stehendem B-Feld gleicher Stärke und ein auf die Laserquanten geeichter Detektor am Ende des Feldes. Der Trick des Experiments besteht darin, dass durch den Primakoveffekt mit Hilfe eines virtuellen Photons aus dem Magnet ein Axion entsteht und dieses auf der anderen Seite der Wand durch den umgekehrten Effekt wieder in ein Lichtquant übergeht.
Polarisationexperimente
Helioskope
Kristalline Detektoren
Innerhalb des elektrischen Feldes wie es bei kristallenen Detektoren vorgehalten wird, ist die Axion-Photon-Kopplung koherant, falls die Braggbedingung erfüllt ist - bekannte Experimente SOLAX, COSME und DAMA.
Primakoff Teleskope
Bei den Primakoffteleskopen wird durch den Primakoffeffekt nach Axionen gesucht, siehe CAST-Experiment am Forschungszentrum CERN.
Mößbauer Teleskope
Hierbei findet das Axion versucht das Axion durch Mößbauereffekt in ein Photon umzuwandeln, erst Generationen Experiment ist im Aufbau.
Haloskope
ADMX
Beim US Large-Scale Axion Search (ADMX) handelt es sich um eine Kollaribation des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), des Massachusetts Institute of Technology (MIT), der University of Florida, des Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), des Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL), der University of Chicago und des Institute for Nuclear Research/Moscow und ist aufgebaut am LLNL. Bei seinem Bau wurden Erfahrungen aus den beiden vorherigen Experimenten dem University of Florida Experiment (UF) und dem Rochester Fermilab Brookhaven Experiment (RBF) verwendet.
Zielsetzung
Das Ziele des Experimentes sind:
- Die Güte des Experimets so weit ist, dass sich KSVZ Axione aus unserem Halo nachweislassen
- Den Massenbereich von komplett zu detektieren.
Aufbau
Das ADMX-Experiment ist ein sogenannter Sikivie-Detektor. Hierbei wird über den Primakoff-Effekt ein Axion innerhalb eines statischem Magnetfeldes erzeugt. Die erzeugte Mikrowellenlänge durch die größe des Behälter begrenzt, da das erzeugte Photonwellenlänge durch die deren Resonanzfrequenz begrenzt wird. Das verwendete Zylinder ist 1 m lang und besitzt einen Durchmesser von 0,5 m. Das durch einen Supraleitenden Solenoid erzeugtes Magnetvolumen beträgt .
