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{{Begriffsklärungshinweis}}
Das '''Axion''' ist ein [[Hypothetisches Teilchen|hypothetisches]] [[Elementarteilchen]] ohne elektrische Ladung und mit [[Spin]] null. Theoretische Überlegungen der [[Quantenchromodynamik]] (QCD) fordern eine Verletzung der [[CP-Verletzung|CP-Symmetrie]], die aber nicht beobachtet wird. So würde eine CP-Verletzung für das [[Neutron]] ein [[Elektrisches Dipolmoment des Neutrons|elektrisches Dipolmoment]] von bis zu <math>d_n\approx10^{-16}\,\mathrm{e\cdot cm}</math> vorhersagen,<ref>Der Wert hängt von einem Parameter ab, dem Vakuumwinkel, der von Null bis <math>2 \pi</math> variiert; das Problem lässt sich auch so formulieren, dass zu erklären ist, warum der Vakuumwinkel verschwindet.</ref> jedoch wurde bis <math>d_n\le10^{-25}\,\mathrm{e\cdot cm}</math> herab kein Dipolmoment gemessen. Als Lösung dieses Problems wurde die Existenz des Axions vorgeschlagen.

Jedoch konnte das Axion, das auch ein Kandidat für [[Dunkle Materie]] ist, bisher nicht gefunden werden.

== Theoretischer Hintergrund ==
Im Gegensatz zur [[Schwache Wechselwirkung|schwachen Wechselwirkung]] sind bei der [[Starke Wechselwirkung|starken Wechselwirkung]] die diskreten [[Symmetrie (Physik)|Symmetrien]] ''C'' ([[Ladungskonjugation|Ladungsumkehr]], der Austausch aller [[Teilchen]] durch ihre [[Antiteilchen]]), ''P'' ([[Parität (Physik)|Parität]], Raumspiegelung) und ''T'' ([[Zeitumkehr (Physik)|Zeitumkehr]]) ungebrochen. Eine Konsequenz ist das verschwindende elektrische Dipolmoment des Neutrons.

Insbesondere ist damit auch die Kombination ''CP'' eine ungebrochene Symmetrie. Die grundlegende Theorie der starken Wechselwirkung, die Quantenchromodynamik, sagt aber, wie [[Gerardus ’t Hooft]] 1976 fand, einen ''CP''-verletzenden Anteil in Form nicht[[Störungstheorie|störungstheoretischer]] Konfigurationen von Vakuumfeldern ([[Instanton]]en) voraus. Genauer führte 't Hooft diesen CP-verletzenden nichtstörungstheoretischen Term in der QCD-[[Wirkung (Physik)|Wirkung]] ein, um ein anderes Problem (von [[Steven Weinberg]] <math> U_A (1)</math>-Problem genannt) zu lösen,<ref>Die Lagrangedichte der QCD besitzt im Fall der fast masselosen u- und d-Quarks (chiraler Grenzfall) eine <math>U (2)_A \times U(2)_V</math>-Symmetrie (U (2) ist die unitäre Matrix in zwei Dimensionen, die die beiden Quarks ineinander transformiert, A steht für axial, V für Vektor), deren axialer Anteil durch Quark-Antiquark-Kondensate im Vakuum spontan gebrochen wird, was zu vier Nambu-Goldstone-Bosonen führt, von denen aber nur drei mit den auf der üblichen Massenskala der QCD fast masselosen [[Pion]]en identifiziert werden können, das vierte leichte Goldstoneboson wird nicht beobachtet.</ref><ref>{{Internetquelle |autor=R. D. Peccei |url=https://indico.cern.ch/event/351600/contributions/1754013/attachments/695454/954930/The_Strong_CP_Problem_and_Axions.pdf |titel=The strong CP problem and axions |werk= |hrsg= |datum=2015-06 |format=PDF |kommentar=Vorlesungsfolien, Invisibles 2015 Workshop, Madrid |abruf=2020-10-14}}</ref> handelte sich damit aber ein neues Problem ein, das als Starkes CP-Problem ({{lang|en|''strong CP problem''}}) bekannt wurde.

Der Zusatzterm zur [[Lagrangedichte]] von ’t Hooft hatte einen Vakuumwinkel <math>\Theta</math> als Parameter, und das Problem war zu erklären, warum dieser so klein war.<ref>Der Vakuumwinkel erhält noch einen Beitrag von der schwachen Wechselwirkung aus der Diagonalisierung der Kobayashi-Maskawa-Matrix; das Problem bleibt aber bestehen.</ref> [[Roberto Peccei]] und [[Helen Quinn]] schlugen die Existenz einer zusätzlichen globalen, [[Spontane Symmetriebrechung|spontan gebrochenen]] [[Chirale Symmetrie|chiralen Symmetrie]] <math>U(1)_{PQ}</math> vor (Peccei-Quinn-Symmetrie), die den Vakuumwinkel zum Verschwinden bringt.<ref>Chiral bedeutet hier chirale Transformation der Quarkfelder, also die gleiche Symmetrie die oben als axiale Symmetrie bezeichnet wurde, unter Einführung eines neuen Phasenwinkels.</ref> Diese neue Symmetrie führt über das [[Goldstonetheorem]] zu einem neuen Nambu-Goldstone-Boson. Dieses neue leichte, schwach wechselwirkende Teilchen nannte [[Frank Wilczek]] 1978 nach dem amerikanischen Waschmittel ''Axion'' (unabhängig davon führte es auch Steven Weinberg ein).

Es gibt zum einen das Modell des stärker wechselwirkenden KSVZ<ref>KSVZ ist ein Akronym aus den Namen der Autoren zweier wissenschaftlicher Artikel: 1. {{Literatur |Autor=Jihn E. Kim |Titel=Weak-Interaction Singlet and Strong CP Invariance |Sammelwerk=Physical Review Letters |Band=43 |Nummer=2 |Datum=1979-07-09 |Seiten=103–107 |DOI=10.1103/PhysRevLett.43.103}} 2. {{Literatur |Autor= [[Michail Schifman|M. A. Shifman]], [[Arkady Vainshtein|A. I. Vainshtein]], [[Walentin Iwanowitsch Sacharow|V. I. Zakharov]] |Titel=Can confinement ensure natural CP invariance of strong interactions? |Sammelwerk=Nuclear Physics B |Band=166 |Nummer=3 |Datum=1980-04-28 |Seiten=493–506 |DOI=10.1016/0550-3213(80)90209-6}}</ref> und zum anderen das des weniger stark wechselwirkenden DFSZ-Axions<ref>DFSZ ist ein Akronym aus den Namen der Autoren zweier wissenschaftlicher Artikel: 1. {{Literatur |Autor= [[Michael Dine]], [[Willy Fischler]], [[Mark Srednicki]] |Titel=A simple solution to the strong CP problem with a harmless axion |Sammelwerk=Physics Letters B |Band=104 |Nummer=3 |Datum=1981-08-27 |Seiten=199–202 |DOI=10.1016/0370-2693(81)90590-6}} 2. {{Literatur |Autor= [[Ariel Zhitnitsky|A. P. Zhitnitskii]] |Titel=Possible suppression of axion-hadron interactions |Sammelwerk=Sov. J. Nucl. Phys. (Engl. Transl.) |Band=31 | Nummer = 2 |Datum=1980-02-01 |Online=https://www.osti.gov/biblio/7063072 | Seiten = 260–267|Kommentar = Original in ''Yad. Fiz.'' Band 31, 1980, S. 497–504}}</ref>.

== Kandidat für dunkle Materie ==
Axionen werden, neben den [[Neutrino]]s und den ebenfalls nur [[Postulat|postulierten]] [[Primordiale Schwarze Löcher|Primordialen Schwarzen Löchern]], [[WIMP]]s und [[MACHO]]s, als mögliche Kandidaten zur Lösung des Problems der [[Dunkle Materie|dunklen Materie]] gehandelt.<ref>{{Literatur |Autor=John Preskill, Mark B. Wise, Frank Wilczek |Titel=Cosmology of the invisible axion |Sammelwerk=Physics Letters B |Band=120 |Nummer=1 |Datum=1983-01-06 |Seiten=127–132 |DOI=10.1016/0370-2693(83)90637-8}}</ref>
Falls Axionen einen Großteil der dunklen Materie darstellen, ergaben [[Gittereichtheorie|Gitter]]-QCD-Berechnungen zur Masse der Axionen Massewerte von 50 bis 1500 Mikro[[elektronenvolt]] – und damit bis zu zehn Milliarden Mal leichter als das Elektron.<ref>{{Literatur |Autor=S. Borsanyi u. a. |Titel=Calculation of the axion mass based on high-temperature lattice quantum chromodynamics |Sammelwerk=Nature |Band=539 |Nummer=7627 |Datum=2016-11 |Seiten=69–71 |DOI=10.1038/nature20115}}</ref><ref>{{Internetquelle |autor= |url=http://www.desy.de/aktuelles/news_suche/index_ger.html?openDirectAnchor=1126 |titel=Supercomputer liefert Steckbrief von Dunkler Materie |werk= |hrsg=DESY |datum=2016-11-02 |format= |abruf=2020-10-14}}</ref>

== Nachweisexperimente ==
Diverse Experimente versuchen mit verschiedenen Methoden, Axionen nachzuweisen.

=== „Licht durch die Wand“-Experimente ===
Bei den modellunabhängigen Laborexperimenten handelt es sich um „Licht durch die Wand“-Experimente, bei denen ein [[Laserstrahl]] ein [[Magnetfeld]] passiert und danach durch eine Wand blockiert wird. Auf der anderen Seite der Wand befindet sich ein auf dem Strahl senkrecht stehendes Magnetfeld gleicher Stärke und am Ende dieses Feldes ein auf die Laser[[quant]]en ([[Photon]]en) [[Kalibrierung|kalibrierter]] [[Teilchendetektor|Detektor]].

Der Trick besteht darin, dass durch den [[Primakoff-Effekt]] mit Hilfe eines [[Virtuelles Teilchen|virtuellen]] Photons durch den Magneten vor der Wand ein Axion entstehen soll, das auf der anderen Seite der Wand durch den umgekehrten Effekt wieder in ein Lichtquant übergeht. Das ankommende Licht interagiert mit dem Magnetfeld und [[Fluktuation|fluktuiert]] in eine andere Form, die sich durch die Wand hindurch ausbreiten kann. Hinter der Wand treten erneut Fluktuationen des neuen Zustands zurück zum ursprünglichen Charakter auf. Teile der Photonen könnten also die Wand „umgehen“, so dass diese detektierbar wären. Ein Nachweis der Photonen hinter der Wand würde das kurzzeitige Vorhandensein des Lichts in Form von Axionen belegen. Veränderungen an den Feldern wirken sich auf die detektierte Lichtmenge aus. Dies würde Rückschlüsse auf die Details der Axion-Umwandlung zulassen. Beispiele für „Licht durch die Wand“-Experimente" sind ALPS-II<ref>{{Internetquelle |autor=ALPS-II Kollaboration |url=https://www.desy.de/forschung/anlagen__projekte/alps_ii/index_ger.html |titel=ALPS II - Licht-durch-die-Wand-Experiment ALPS |werk=DESY |hrsg=www.desy.de |sprache=de |abruf=2023-12-17}}</ref> am [[Deutsches Elektronen-Synchrotron|DESY]] oder [[OSQAR-Experiment|OSQAR]] am [[CERN]].


=== Helioskope ===
Helioskop-Experimente basieren auf der Hypothese, dass Axionen oder axionähnliche Teilchen im Kern der Sonne durch die Wechselwirkung von Photonen mit den dort vorhandenen elektromagnetischen Feldern erzeugt werden können. Auf der Erde wird ein Helioskop-Experiment zur Sonne ausgerichtet, um den Fluss der eintreffenden Axionen zu maximieren. Im Inneren eines Helioskops befindet sich ein starkes Magnetfeld, in dem Axionen durch den Primakoff-Effekt in Photonen zurückgewandelt und anschließend von einem Photonendetektor nachgewiesen werden können. Da die erwartete Signalrate äußerst gering ist, sind umfangreiche Abschirmungs- und Hintergrundreduzierungstechniken erforderlich. Das bisher größte Axion-Helioskop-Experiment ist das [[CAST-Experiment|CAST]] (CERN Axion Solar Telescope)-Experiment, das bis 2010 am Forschungszentrum CERN Daten erhoben hat. Im Gegensatz zu „Licht durch die Wand“-Experimenten besteht eine gewisse Modellabhängigkeit, da Annahmen über den zu erwarteten Fluss von Axionen aus der Sonne gemacht werden müssen.

==== Kristalline Detektoren ====
Innerhalb eines [[Elektrisches Feld|elektrischen Feldes]] ist die Axion-Photon-Kopplung [[Kohärenz (Physik)|kohärent]], falls die [[Bragg-Gleichung]] erfüllt ist. Bekannte Experimente sind SOLAX, COSME und DAMA.

==== Primakoff-Teleskope ====
Bei den Primakoff-[[Teleskop]]en wird durch Nutzung des [[Primakoff-Effekt]]s nach Axionen gesucht (siehe [[CAST-Experiment]] am [[CERN]]-Forschungszentrum). Durch den Primakoff-Effekt würde ein Axion in einem äußeren Magnetfeld, z. B. bei CAST im Feld eines [[Large Hadron Collider|LHC]]-Prototyp-Magneten mit 9 [[Tesla (Einheit)|Tesla]] [[Feldstärke|Stärke]], in ein Photon mit Energien im keV-Bereich umgewandelt. Dieses kann dann in Teilchendetektoren wie einer [[CCD-Sensor|CCD]] nachgewiesen werden.

==== Mößbauer-Teleskope ====
Hierbei würde das Axion durch [[Resonanz (Physik)|resonante]] [[Angeregter Zustand|Anregung]] eines [[Atomkern]]es nachgewiesen, ähnlich wie die Anregung durch Photonen beim [[Mößbauer-Effekt]]. Eine erste Generation des Experiments ist im Aufbau.

=== Haloskope ===

Haloskope suchen nach etwaigen Axionen aus dem [[Halo (Astronomie)|Halo]] der Milchstraße, mit Detektoren auf der Erde. Axionen, welche sich durch ein Detektorsystem bewegen, würden dann durch den umgekehrten Primakoff-Effekt in zwei Photonen umgewandelt werden und so nachgewiesen werden können. Beispiele für aktuell laufende Haloskope Experimente sind [[ADMX-Experiment|ADMX]]<ref>{{Literatur |Autor=N. Du, N. Force, R. Khatiwada, E. Lentz, R. Ottens, L. J Rosenberg, G. Rybka, G. Carosi, N. Woollett, D. Bowring, A. S. Chou, A. Sonnenschein, W. Wester, C. Boutan, N. S. Oblath, R. Bradley, E. J. Daw, A. V. Dixit, J. Clarke, S. R. O’Kelley, N. Crisosto, J. R. Gleason, S. Jois, P. Sikivie, I. Stern, N. S. Sullivan, D. B Tanner, G. C. Hilton, ADMX Collaboration |Titel=Search for Invisible Axion Dark Matter with the Axion Dark Matter Experiment |Sammelwerk=Physical Review Letters |Band=120 |Nummer=15 |Datum=2018-04-09 |ISSN=0031-9007 |DOI=10.1103/PhysRevLett.120.151301 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.120.151301 |Abruf=2023-12-17}}</ref> oder HAYSTACK<ref>{{Literatur |Autor=M. J. Jewell, A. F. Leder, K. M. Backes, Xiran Bai, K. van Bibber, B. M. Brubaker, S. B. Cahn, A. Droster, Maryam H. Esmat, Sumita Ghosh, Eleanor Graham, Gene C. Hilton, H. Jackson, Claire Laffan, S. K. Lamoreaux, K. W. Lehnert, S. M. Lewis, M. Malnou, R. H. Maruyama, D. A. Palken, N. M. Rapidis, E. P. Ruddy, M. Simanovskaia, Sukhman Singh, D. H. Speller, Leila R. Vale, H. Wang, Yuqi Zhu, HAYSTAC Collaboration |Titel=New results from HAYSTAC’s phase II operation with a squeezed state receiver |Sammelwerk=Physical Review D |Band=107 |Nummer=7 |Datum=2023-04-28 |ISSN=2470-0010 |DOI=10.1103/PhysRevD.107.072007 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevD.107.072007 |Abruf=2023-12-17}}</ref>.

=== Suche an Teilchenbeschleunigern ===
Axionen können auch an Teilchenbeschleunigern erzeugt werden, insbesondere in Elektron-Positron-Kollisionen sowie in ultraperipheren Schwerionenkollisionen am LHC, bei denen der Prozess der [[Halpern-Streuung|Licht-zu-Licht-Streuung]] neu interpretiert wird. Diese Untersuchungen sind empfindlich für relativ große Axionmassen zwischen 100 MeV/c2 und Hunderten von GeV/c2. Unter der Annahme einer Kopplung von Axionen an das [[Higgs-Boson]] kann die Suche nach anomalen Higgs-Boson-Zerfällen in zwei Axionen noch stärkere Grenzwerte liefern<ref name=":0">{{Internetquelle |url=https://www.spektrum.de/news/verzweifelt-gesuchtes-teilchen-in-festkoerper-aufgetaucht/1679048 |titel=Axionen: Verzweifelt gesuchtes Teilchen in Festkörper aufgetaucht |sprache=de |abruf=2019-10-12}}</ref><ref name="gooth">{{Literatur |Autor=J. Gooth et al. |Titel=Axionic charge-density wave in the Weyl semimetal (TaSe4)2I |Sammelwerk=[[Nature]] |Nummer=575 |Datum=2019-10 |Seiten=315–319 |Sprache=en |DOI=10.1038/s41586-019-1630-4}}</ref>.

== Festkörper-Analogon des Axions ==
Wie auch bei anderen hypothetischen Elementarteilchen wurden Analoga in Festkörpern gesucht. Über ein Analogon des Axions berichtete 2019 eine Forschergruppe um Johannes Gooth (Max-Planck-Institut für chemische Physik fester Stoffe, Dresden) in [[Nature]].<ref name="gooth" /> Als topologische Phase in einem Weyl-[[Halbmetall]] war es schon 2010 von [[Shou-Cheng Zhang]] und Kollegen vorhergesagt worden.<ref>{{Literatur |Autor=Rundong Li, Jing Wang, Xiao-Liang Qi, Shou-Cheng Zhang |Titel=Dynamical axion field in topological magnetic insulators |Sammelwerk=Nature Physics |Band=6 |Nummer=4 |Datum=2010-04 |Seiten=284–288 |DOI=10.1038/nphys1534}}</ref> In Weyl-Halbmetallen bilden die Elektronen [[Quasiteilchen]], die sich wie [[Weyl-Fermion]]en verhalten. Sie haben Ähnlichkeit mit [[Topologischer Isolator|topologischen Isolatoren]]. Bei dem Weyl-Halbmetall handelte es sich um die [[Tantal]]-[[Selen]]-Verbindung (TaSe4)2, bei der sich die Weyl-Fermionen bei Abkühlung auf −11 Grad Celsius in [[Ladungsdichtewelle]]n sammelten. Eine Mode dieser Welle ({{lang|en|''sliding mode''}}, Phason) bildete das Analogon des Axions, wie durch das ähnliche Verhalten unter elektrischen und magnetischen Feldern nachgewiesen wurde. So zeigte sich ein großer positiver Beitrag zur magnetischen Leitfähigkeit bei parallelen elektrischen und magnetischen Feldern entsprechend dem Axion-Beitrag zur chiralen [[Anomalie (Quantenfeldtheorie)|Anomalie]].

== Literatur ==
Originalaufsätze:
* {{Literatur
|Autor=G. ’t Hooft
|Titel=Symmetry Breaking through Bell-Jackiw Anomalies
|Sammelwerk=Physical Review Letters
|Band=37
|Nummer=1
|Datum=1976-07-05
|Seiten=8–11
|DOI=10.1103/PhysRevLett.37.8}}
* {{Literatur
|Autor=G. ’t Hooft
|Titel=Computation of the quantum effects due to a four-dimensional pseudoparticle
|Sammelwerk=Physical Review D
|Band=14
|Nummer=12
|Datum=1976-12-15
|Seiten=3432–3450
|Kommentar=Erratum Band 18, 1978, S. 2199
|DOI=10.1103/PhysRevD.14.3432}}
* {{Literatur
|Autor=R. D. Peccei, Helen R. Quinn
|Titel=CP Conservation in the Presence of Pseudoparticles
|Sammelwerk=Physical Review Letters
|Band=38
|Nummer=25
|Datum=1977-06-20
|Seiten=1440–1443
|DOI=10.1103/PhysRevLett.38.1440}}
* {{Literatur
|Autor=R. D. Peccei, Helen R. Quinn
|Titel=Constraints imposed by CP conservation in the presence of pseudoparticles
|Sammelwerk=Physical Review D
|Band=16
|Nummer=6
|Datum=1977-09-15
|Seiten=1791–1797
|DOI=10.1103/PhysRevD.16.1791}}
* {{Literatur
|Autor=Steven Weinberg
|Titel=A New Light Boson?
|Sammelwerk=Physical Review Letters
|Band=40
|Nummer=4
|Datum=1978-01-23
|Seiten=223–226
|DOI=10.1103/PhysRevLett.40.223}}
* {{Literatur
|Autor=F. Wilczek
|Titel=Problem of Strong P and T Invariance in the Presence of Instantons
|Sammelwerk=Physical Review Letters
|Band=40
|Nummer=5
|Datum=1978-01-30
|Seiten=279–282
|DOI=10.1103/PhysRevLett.40.279}}
* {{Literatur
|Autor=John Preskill, Mark B. Wise, Frank Wilczek
|Titel=Cosmology of the invisible axion
|Sammelwerk=Physics Letters B
|Band=120
|Nummer=1
|Datum=1983-01-06
|Seiten=127–132
|DOI=10.1016/0370-2693(83)90637-8}}

Bücher:
* Markus Kuster et al.: ''Axions - theory, cosmology, and experimental searches.'' Springer, Berlin 2008, ISBN 978-3-540-73517-5.

== Weblinks ==

* [http://www.llnl.gov/str/JanFeb04/pdfs/01_04.1.pdf Artikel zum Experiment des Lawrence Livermore National Laboratory (PDF-Datei, englisch)] (1,97 MB)
* {{Webarchiv |url=http://www.ftd.de/forschung_bildung/forschung/:Unbekannter-Winzling-Nachwuchs-im-Teilchenzoo/457823.html |text=Artikel in deutscher Sprache zum ALPS-Experiment am DESY in Hamburg |wayback=20090122092446}}
* [http://www.dradio.de/dlf/sendungen/forschak/1114063/ DLF-Bericht zur Suche nach Axionen am DESY]

== Einzelnachweise ==

<references />

[[Kategorie:Hypothetisches Teilchen]]

Axion - Versionsgeschichte

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