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Beschleuniger könnte Dunkle-Materie-Kandidaten aus dem Vakuum erzeugen
Axionen gelten als mögliche Bausteine der Dunklen Materie, wurden aber bislang nicht nachgewiesen. Eine theoretische Analyse zeigt nun, dass stark beschleunigte Atomkerne das Axionfeld so verändern könnten, dass aus seinen Vakuumfluktuationen Paare realer Axionen entstehen. Ultraperiphere Schwerionenkollisionen könnten dafür grundsätzlich eine Testmöglichkeit bieten, auch wenn die erwartete Ausbeute klein und der Nachweis schwierig wäre.
Dresden (Deutschland). Axionen wurden ursprünglich vorgeschlagen, um ein Symmetrieproblem der Quantenchromodynamik zu lösen, die die starke Kernkraft beschreibt. Zugleich gehören die hypothetischen Teilchen zu den Kandidaten für Dunkle Materie, sofern sie ausreichend langlebig sind, doch trotz zahlreicher Suchverfahren gibt es bisher keinen eindeutigen experimentellen Nachweis.
Für viele Experimente ist entscheidend, wie Axionen mit gewöhnlicher Materie wechselwirken, weshalb eine neue theoretische Arbeit an einem Bestandteil des QCD-Vakuums ansetzt, dem Quarkkondensat aus Quark-Antiquark-Paaren. Dieses Kondensat ist im Inneren von Atomkernen schwächer ausgeprägt als im Vakuum, wodurch sich auch die effektive Masse eines Axions im Kern verändern würde.
Forscher des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) um Stefan Evans haben nun berechnet, welche Folgen dieser Unterschied haben könnte. In den von ihnen herangezogenen Kernmaterie-Modellen ist das Quarkkondensat im Inneren eines Kerns um etwa 25 bis 50 Prozent reduziert, wodurch die Krümmung des Axionpotenzials sinkt und sich eine verringerte effektive Axionmasse in Kernmaterie ergibt.
Aus dieser Änderung folgt nach den Berechnungen eine endliche Streuung von Axionen an Atomkernen. Für einen Eisenkern und eine angenommene Axionmasse von zehn Megaelektronenvolt (MeV) ergibt die Modellrechnung beispielsweise einen Wirkungsquerschnitt von rund 40 Mikrobarn, während Vakuumfluktuationen selbst ohne reale Axionen zusätzlich eine Casimir-artige Anziehung zwischen Kernen erzeugen würden. Unter den betrachteten Bedingungen wäre diese Anziehung allerdings weit schwächer als die elektrische Abstoßung.
Noch interessanter wird der Mechanismus, wenn sich ein Atomkern beschleunigt, denn dann bewegt sich auch der Bereich, in dem das Quarkkondensat und damit das Axionpotenzial verändert sind. Diese zeitliche Veränderung kann nach der Theorie Vakuumfluktuationen des Axionfelds anregen und in ein verschränktes Paar realer Axionen umwandeln.
Als mögliche Situation betrachten die Autoren ultraperiphere Kollisionen schwerer Ionen, bei denen die Kerne stark beschleunigt aneinander vorbeifliegen. Der Vorgang ähnelt dem dynamischen Casimir-Effekt, bei dem eine zeitabhängige Veränderung eines Quantensystems aus Vakuumfluktuationen reale Teilchen erzeugen kann. In einer mitbeschleunigten Beschreibung lässt sich derselbe Prozess als Signatur des Unruh-Effekts deuten, bei dem ein beschleunigter Beobachter das Vakuum als thermisch wahrnimmt.
Die Paarerzeugung wäre laut der Rechnung am stärksten, wenn beide Axionen in dieselbe Richtung emittiert werden. Außerdem begünstigt das betrachtete Näherungsregime Axionmassen, die klein gegenüber der durch die Beschleunigungsdauer gesetzten Energieskala sind, wobei die so erzeugten Teilchen überwiegend ultrarelativistisch wären.
Entscheidend ist, dass die Arbeit eine theoretische Möglichkeit beschreibt und noch keinen experimentell beobachteten Produktionskanal. Unter den Annahmen, für die die verwendete Näherung sicher gilt, bleibt die Erzeugungswahrscheinlichkeit pro Kollision klein, während eine sehr große Zahl von Kollisionen die Gesamtwahrscheinlichkeit erhöhen könnte. Gerade in dem Bereich, in dem der Effekt größer werden könnte, versagen allerdings die vereinfachenden Annahmen der Rechnung, sodass für eine belastbare Vorhersage genauere Berechnungen nötig wären.
Auch der Nachweis der erzeugten Axionpaare bleibt offen, doch der zugrunde liegende Materieeffekt ist nach der Analyse weitgehend von anderen unsicheren K