Techniker prüfen die Endmontage des XENON1T-Zentralelements. Mit diesem Gerät gelang möglicherweise ein Durchbruch bei der Suche nach den Trägerteilchen der Dunklen Materie. Bild: XENON1T Collaboration, frei zur Mediennutzung.

Seit Jahrzehnten schon sind zahlreiche Experimente auf der Suche nach den mutmaßlichen Trägerteilchen der Dunklen Materie. Alle Experimente gingen bislang leer aus und schlossen immer mehr Kandidaten wie etwa supersymmetrische Partnerteilchen der bekannten Elementarteilchen des Standardmodells aus – in vorderster Reihe das XENON-Experiment in Italien. Lediglich im Bereich niedriger Energien gibt es noch einen kaum erforschten Bereich. Dort könnten sich exotische Teilchen namens Axionen tummeln, ca. ein bis 100 Milliarden mal leichter als Elektronen, die von Theorien der starken Wechselwirkung vorhergesagt werden. Bisher konnte noch kein Axion aufgespürt werden. Das könnte sich nun geändert haben. Sagt das XENON-Experiment.

 

Wozu braucht jemand Axionen?

Axionen entstammen den Theorien der starken Wechselwirkung, der Grundkraft, die die Bindung der Quarks untereinander beschreibt. Bekanntlich bestehen Protonen und Neutronen aus je drei Quarks und Mesonen bestehen aus Quark-Antiquark-Paaren. Während die Gravitation nur einen Pol kennt (alle Massen ziehen sich an) und die elektrostatische Kraft bei elektrisch geladenen Teilchen zwei Pole hat (+ und -, verschiedene Ladungen ziehen sich an, gleiche stoßen sich ab), gibt es bei der starken Wechselwirkung viele Pole, die von den Physikern nach den Farben wie Rot, Grün und Blau benannt wurden. Stabile Teilchen aus Quarks vereinigen stets Quarks mit unterschiedlichen “Farbladungen”, die sich gemäß der Farbenlehre zu Weiß mischen würden: bei Protonen und Neutronen jeweils ein rotes, grünes und blaues Quark, bei den Mesonen haben die Antiquarks entsprechende Anti-Farbladungen, etwa Anti-Rot (in der Farbenlehre entspräche dies Türkis), das sich mit einem Roten Quark ebenfalls zu Weiß mischt. Eine schöne Analogie, solange man im Hinterkopf behält, das Quarks nicht wirklich bunt sind.

Ein Neutron besteht aus 3 Quarks, einem Up U mit 2/3 positiver Ladung und zwei Downs D mit je -1/3 Elementarladungen. Naiverweise sollte man daher annehmen, dass die Quarks in einer Dreieckskonfiguration angeordnet sind, bei der eine Seite die negativen Ladungen enthält und die gegenüber liegende Ecke die positive, so dass das Neutron insgesamt zwei verschieden geladene Hälften erhält. Jede mögliche Anordnung kann durch den Winkel θ (klein Theta) eindeutig bestimmt werden. Bild: Anson Hook, arXiv, [5].

Weil die Lehre der starken Wechselwirkung so schön bunt ist, nennt man sie Quantenchromodynamik (croma = griechisch “die Farbe”), oder kurz QCD. Nun sagt das Standardmodell der Teilchenphysik voraus, dass die QCD die CP-Symmetrie verletzen müsse – es sollte Prozesse geben, deren Umkehrprozess mit umgekehrten Ladungen (Farb- und elektrische Ladung) und gespiegelter Raumrichtung (etwa gespiegelter Anordnung der Quarks in Protonen und Neutronen) nicht existiert oder anders abläuft, als der Prozess selbst. Insbesondere sollte ein Neutron, das aus einem Up-Quark mit +2/3-Elementarladungen und zwei Down-Quarks mit je -1/3-Elementarladung besteht, normalerweise ein elektrisches Dipolmoment besitzen, d.h. es sollte an einem Ende negativ und am anderen positiv geladen sein (siehe Bild oben). Kehrt man beim Neutron die Parität und die Ladung um, käme allerdings ein Teilchen heraus, bei dem das Dipolmoment gegenüber dem Drehimpuls um 180° gekippt wäre (folgendes Bild), die CP-Symmetrie wäre verletzt, denn so ein Teilchen existiert nicht. Dem entzieht sich das Neutron geschickterweise dadurch, dass sein Dipolmoment Null ist und somit die CP-Symmetrie erhalten bleibt. Das Verschwinden des Dipolmoments des Neutrons kennt man unter dem Stichwort starkes CP-Problem. Jede Lösung des starken CP-Problems geht über die Physik des Standardmodells hinaus und wäre somit “neue Physik”.

Ein elektrisches Dipolmoment würde die CP-Symmetrie verletzen. Nach dem CPT-Satz ist die CP-Symmetrie genau dann verletzt, wenn sowohl Zeit als auch Paritätssymmetrie gebrochen sind. (Punkt-)Spiegelt man die Anordnung der Quarks im Neutron (Paritätsumkehr), dann ändert sich der Spin µ (blauer Pfeil) nicht, aber die Ladung kehrt sich um. Kehrt man die Zeitrichtung um (T-Umkehr), dann dreht sich das Neutron andersherum, der Spin kehrt sich um, aber nicht die Ladung. In beiden Fällen zeigen die Pfeile d des Dipolmoments und µ des Spins nicht mehr in die gleiche Richtung – P- und T-Symmetrie sind verletzt. Damit nach CPT-Satz auch CP. Und so ein Teilchen wurde nie beobachtet. Bild: Andreas Knecht, Wikimedia Commons, gemeinfrei.

In der Teilchenphysik löst man Probleme gerne mit Feldern (in der zugrunde liegenden Quantenfeldtheorie besteht alles aus Feldern und die Teilchen sind lediglich Anregungszustände von Feldern, in etwa wie Wellen auf einer sonst glatten Wasseroberfläche). Man denke an das Higgs-Feld, mit dem erklärt wird, warum nicht alle Teilchen masselos mit Lichtgeschwindigkeit durch die Gegend fliegen, sondern ihnen dieses Feld eine Masse verleiht. Das Teilchen des Higgs-Felds ist das Higgs-Boson. Roberto Peccei und Helen Quinn schlugen 1977 die Existenz eines Felds jenseits des Standardmodells vor, dessen Potenzial die CP-Verletzung des Neutrons wieder ausbügelt (siehe folgendes Bild). Das zugehörige Teilchen dieses Feldes ist das Axion, auch A0 geschrieben. Und es wäre ein guter Kandidat für das Trägerteilchen der Dunklen Materie.

Nur eine Anordnung der Quarks sorgt für ein verschwindendes elektrisches Dipolmoment: die positive Ladung sitzt in der Mitte zwischen den negativen Ladungen. Der Winkel θ dieser Anordnung ist 0°. Die Lösung von Peccei und Quinn sieht vor, dass der Winkel θ ein Feld ist, das variieren kann und bei 0° die geringste Energie hat. Das Axion ist das zum Feld gehörige Anregungsteilchen. Bild: Anson Hook, arXiv, [5].

Geistiger Verwandter des Photons mit einem Hauch von Masse

Dunkle-Materie-Axionen wären, wenn es sie denn gäbe, extrem leicht, mit 10-5 bis 10-3 eV/c² (= 10-1000 µeV/c²) in der Größenordnung von nur etwa einem Hundertmilliardstel bis einem Milliardstel der Masse eines Elektrons (511·103 eV/c²). Gemessen an den ansonsten gehandelten Dunkle-Materie-Kandidaten wie etwa supersymmetrischen “WIMPs” (weakly interacting massive particles = schwach wechselwirkende massive Teilchen) mit 109 bis 1012 eV/c² oder sterilen Neutrinos mit 109 eV/c² wären sie ein Nichts und es müsste Myriaden von ihnen geben, um die Dunkle Materie zu erklären. Selbst gewöhnliche Neutrinos wären mit geschätzten Massen > 0,1 eV/c² Schwergewichte gegen sie. Entsprechend schwer wären sie nachweisbar.

Sie hätten keinen Spin und keine elektrische Ladung, könnten aber elektromagnetisch wechselwirken: wie der theoretische Physiker Pierre Sikivie 1983 zeigte, würden sie sogar eine Erweiterung der Maxwellschen Gleichungen, die bekanntlich für Photonen gültig sind, erfüllen. Sikivie erklärte in einem Interview, dass das Axion so etwas wie ein geistiger Verwandter des Photons sei, aber mit einem Hauch von Masse. Er errechnete, dass beim Urknall genug von ihnen entstanden sein könnten, um die Dunkle Materie zu erklären, so fern sie langsam genug unterwegs sind und somit geringe Energien haben. Denn Dunkle Materie muss “kalt” sein, also aus Teilchen bestehen, die langsam genug sind, dass sie sich unter ihrer Eigengravitation zu Galaxien und Galaxienhaufen verdichten konnten.

Im Beisein starker magnetischer Felder sollten Photonen sich in Axionen verwandeln können (Primakoff-Prozess) und Axionen wieder in Photonenpaare zerfallen, allerdings entsprechend der geringen Teilchenenergien typischerweise mit Wellenlängen von 1 bis 100 Metern – kein Licht, sondern Kurzwellen-Radiostrahlung. Sikivie erdachte einen Detektor, den er Haloskop nannte, um die Axionen der Dunklen Materie nachzuweisen.

Der Detektorzylinder des ADMX-Experiments wird an der Universität von Washington installiert. Bild: Lamestlamer, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0.

Das Axion Dark Matter Experiment ADMX, das 2018 an der Universität von Washington an den Start ging, ist nach dem Prinzip von Sikivies Haloskop gebaut. Es ist das erste Experiment, das empfindlich genug sein könnte, Axionen der Dunklen Materie nachzuweisen. ADMX besteht aus einer zylindrischen Röhre mit einem Innenmaß von 1 m Länge und 0,5 m Durchmesser, die als Mikrowellen-Resonator-Hohlraum wirkt. Supraleitende Magnete erzeugen in ihrem Inneren ein Magnetfeld von sagenhaften 8 Tesla – etwa die 150.000-fache Stärke des Erdmagnetfelds oder die fünffache eines fetten Neodym-Magneten, dem stärksten Dauermagneten, den wir kennen. Die Detektorkammer wird mit Helium auf 4,2 K gekühlt, um thermisches Rauschen des Behältermaterials zu unterdrücken. Wenn nun Axionen im Zylinder zerfallen und Radiostrahlung der richtigen Wellenlänge im Zylinder entsteht, bleibt sie einen Moment darin als stehende Welle gefangen, bis sie vom Zylindermaterial absorbiert worden ist. Empfindliche Antennen, deren Verstärkerrauschen weniger als 100 Millikelvin beträgt, werden im Zylinder verschoben, um nach den Amplitudenmaxima solcher Radiowellen zu suchen.

Axion-Massen von 2,7 bis 3,4 µeV/c² konnte das Experiment bisher schon ausschließen. Man hat sich vorgenommen, den Bereich bis 42,6 µeV/c² auszuloten. Wenn Axionen die einzigen Bestandteile der Dunklen Materie wären, erwartete man ihre Masse in diesem Bereich; sollten sie nur einer von vielen Bestandteilen sein, dann könnte der Bereich möglicher Massen auch bis zu eine Milliarde Mal größer sein.

Andere Experimente versuchen starkes Laserlicht in Axionen umzuwandeln, die eine Stahlwand durchdringen können und dahinter wieder zu Licht werden. Oder horchen nach Radiostrahlung von Axionen aus der nächsten Umgebung von Neutronensternen, den stärksten Magneten, die die Natur kennt. Gefunden hat bisher keines der Experimente irgendetwas.

Stattdessen vermeldet nun ein anderes Experiment, das von 2016-2018 lief, einen möglichen Fund.

 

Der WIMP-Zerstörer

Funktionsweise der Zweiphasen-Zeitprojektionskammer
im Herzen von XENON1T: einschlagende Teilchen wie WIMPs verursachen ein Szintillationsereignis S1 irgendwo in der XENON-Flüssigkeit (liquid Xenon, LXe), die den Großteil des Behälters ausfüllt. Der Lichtblitz wird von Restlichtverstärkern (Photomultiplier PMT) im Deckel des Behälters aufgefangen. Welche PMTs wie stark ansprechen bestimmt, in welchem Punkt des Zylinderquerschnitts das Ereignis stattfand. Von S1 freigesetzte Elektronen werden durch ein starkes elektrisches Feld Ed rasch nach oben beschleunigt und verursachen beim Eindringen in gasförmiges Xenon (gaseous Xenon, GXe) über der Flüssigkeit einen zweiten Szintillationsblitz S2. Aus dem Zeitunterschied zwischen S1 und S2 folgt die Tiefenkoordinate von S1. Und da Ereignisse von Kernteilchen mehr Elektronen produzieren, als Kollisionen leichter Teilchen mit Elektronen, kann man erstere am im Verhältnis zu S1 stärkeren S2-Blitz erkennen. Bild: Gaudiman, Wikimedia Commons, CC-BY SA 3.0.

Eigentlich wurde das XENON1T-Experiment, tief unter dem fast 3000 m hohen Gran-Sasso-Massiv im Herzen Italiens gelegen, gebaut um nach WIMPs zu suchen. Es enthält 3,5 Tonnen ultrareines Xenon, ein Edelgas, das zwischen -111,75°C und -108,1°C flüssig ist. Der größte Teil des Xenons im Detektor ist flüssig mit einem kleinen Bereich gasförmigen Xenons darüber. Energiereiche Teilchen oder Gammastrahlen, die mit den Xenon-Atomen kollidieren, stoßen entweder deren Elektronen oder Kerne an, die dann in der umgebenden Flüssigkeit kleine Lichtblitze (Szintillationsblitze) verursachen. Diese werden von einer Matrix von Restlichtverstärkern im Deckel des zylindrischen Detektors registriert und so in der Querschnittsfläche verortet, das sogenannte S1-Signal des Detektors.

Eine Kollision reißt Elektronen und Kerne des Xenon-Atoms auseinander (Ionisation). Im Detektor werden die freigesetzten Elektronen von einem starken elektrischen Feld nach oben hin beschleunigt, wo sie im Xenon-Gas ihrerseits einen Szintillationsblitz auslösen, der von den Restlichtverstärkern zeitversetzt zu S1 registriert wird, das S2-Signal. Aus der Zeitdifferenz zwischen S1 und S2 lässt sich errechnen, wie lang der Weg der Elektronen von der Erzeugung bis zum Erreichen der Oberfläche des flüssigen Xenons war, und somit hat man auch die Tiefeninformation der ursprünglichen Teilchenreaktion, womit die dreidimensionale Verortung des Teilchens komplett ist (das Konstrukt nennt sich deswegen “Zweiphasen-Zeitprojektionskammer”). Die räumliche Ortung ist wichtig um zu unterscheiden, ob die Signale aus dem Inneren des Detektors stammen, wo störende Hintergrundereignisse wesentlich seltener sind als an den Rändern. Der innere Bereich bildet das eigentliche Target oder Referenzvolumen des Detektors.  Aus dem Verhältnis der Signalpegel von S1 und S2 lässt sich zudem ableiten, ob es sich um den Zusammenstoß eines Elektrons mit einem eher leichten Teilchen (wie etwa einem Gamma-Photon oder einem Axion) oder eines Kernteilchens mit einem eher schweren Teilchen (z.B. mit einem Neutron oder einem WIMP) handelt.

Das XENON-Experiment unter dem Gran Sasso Gebirge. Links ein großer Wassertank zur Abschirmung des enthaltenen Detektorzylinders gegen radioaktive Strahlung aus dem Berg. Auf dem Tank ein Poster, das eine Innenansicht des Tanks zeigt. Bild: XENON1T Collaboration, frei zur Mediennutzung.

Das Experiment befindet sich 1400 m tief im Gran Sasso, um von möglichst wenig Strahlung aus dem Kosmos gestört zu werden. Das umgebende Gestein isoliert so gut wie 3200 m Wassertiefe. WIMPs sollten, ähnlich wie Neutrinos, indessen so gut wie gar nicht vom Gestein absorbiert werden, und die geisterhaften Axionen ebenso wenig, weil sie nur äußerst selten mit Materie interagieren. Störsignale kommen im Wesentlichen nur in Form radioaktiver Strahlung aus dem umgebenden Fels, gegen die die Detektorröhre noch einmal separat durch einen Wassertank abgeschirmt ist, sowie aus dem Xenon selbst, das nicht vollkommen frei von Verunreinigungen durch radioaktive Xenon-Isotope sein kann.

Verkabelung der Restlichtverstärker im Deckel des XENON1T-Detektors. Bild: XENON1T Collaboration, frei zur Mediennutzung.

Der Vorgänger XENON100 mit 165 kg Xenon und 65 kg davon im Referenzvolumen fand während seines Betriebs von 2008 bis 2012 kein WIMP und kein Axion, sondern wurde vor allem dadurch bekannt, dass es einen großen Teil mutmaßlicher Dunkle-Materie-Kandidaten ausschließen konnte, gemessen als “Streuquerschnitt” von 2·10-45 cm² für WIMP-Teilchen von bis zu 55 GeV/c² Teilchenmasse. Das entspricht der gedachten Fläche, innerhalb derer sich ein WIMP-Teilchen und ein Xenon-Kern nahe kommen müssen, damit eine Kollision bzw. Streuung stattfindet. Letztlich eine statistische Frage – je kleiner der Streuquerschnitt, desto seltener das Ereignis. Oder umgekehrt: wenn man keine Ereignisse sieht, aber annimmt, dass WIMPs solche Ereignisse produzieren sollten, dann muss der Streuquerschnitt klein genug sein, dass während der Laufzeit des Experiments keine Ereignisse häufig genug vorkommen, um sich vom Hintergrundrauschen abzuheben. XENON1T mit 3500 kg Xenon und 2000 kg Referenzvolumen legte den Streuquerschnitt noch einmal um einen Faktor 100 tiefer: 2·10-47 cm² für WIMP-Teilchen von bis zu 100 GeV/c².

 

Merkwürdigkeiten beim Elektronengeschubse

Umso überraschender erschien nun eine Arbeit der XENON-Kollaboration, die einen 23-prozentigen Signalexzess über dem Hintergrundrauschen für Elektronenstoßprozesse mit Teilchenenergien von 1-7 keV/c² gemessen hat. Für Axionen der dunklen Materie viel zu hohe Energien – aber exakt das, was man für die schnellen Axionen erwartet, die aus der Sonne stammen. Solche könnten auf dreierlei Weisen entstehen:

  1. Durch ABC bezeichnete Prozesse Atomarer Rekombination, Bremsstrahlung und Compton-Streuung – gemeint ist A der Einfang von Elektronen durch Kernteilchen im Plasma der Sonne (atomare Rekombination), B das Abbremsen von Elektronen durch Magnetfelder und C die Kollision von energiereichen Photonen mit Elektronen. Bei allen diesen Reaktionen könnten Axionen entstehen.
  2. Durch einen “M1” genannten Zustandsübergang von Eisen-57-Atomkernen (genauso wie die Elektronen in der Hülle eines Atoms Übergänge zwischen verschiedenen Energieniveaus durchführen können, können das auch Kernteilchen). Hierbei entsteht eine scharf bestimmte Axionen-Energie von 14,4 keV/c².
  3. Durch den oben erwähnten Primakoff-Prozess, bei dem aus Photonen im Magnetfeld der Sonne Axionen entstehen.

Die Autoren errechneten die erwarteten Spektren für diese Prozesse, d.h. die Häufigkeit von Elektronenstoßprozessen über die verschiedenen Energien, die im folgenden Bild dargestellt sind. Die dünnen Linien zeigen die erwarteten tatsächlich stattfindenden Ereignisse im Xenon, die schattierten Flächen die erwarteten Beobachtungen, wenn man die Auflösung und Effizienz des Detektors mit einrechnet. Die ABC-Prozesse liefern den Großteil der Ereignisse, welche die Primakoff-Axionen überlagern, und die Eisen-57-Übergänge einen gut separierten Anteil bei ca. 14 keV.

Berechnete Spektren der drei Prozesse, die solare Axionen erzeugen könnten, in Ereignissen pro Tonne Xenon, Jahr und Energieintervall in keV über der Energie der Axionen. Durchgezogen Linien zeigen die tatsächlich eintretenden Reaktionen im Xenon, die schattierten Flächen die erwarteten vom Detektor nachgewiesenen Ereignisse. Blau die Axionen der ABC-Prozesse, rot die Axionen des Eisen-57-Zustandsübergangs und gelb die Axionen des Primakoff-Prozesses (siehe Text).
Bild: Xenon-Kollaboration [1], arXiv, CC BY 4.0.

Axionen gefunden?

Im folgenden Bild sind die im XENON1T gezählten Ereignisse verschiedener Energien bis 30 keV (schwarze Fehlerbalken) einer errechneten Kurve (rot durchgezogene Linie) gegenüber gestellt, die sich aus der Summe der drei zuvor beschriebenen Axion-Entstehungsprozesse (unten gestrichelt) und dem Hintergrund B0 (grau durchgezogen) aus Störereignissen aufgrund radioaktiver Strahlung in der Umgebung und im Xenon-Füllstoff ergibt. Vor allem im unteren Bereich bis 10 keV reproduzieren die Messdaten im Rahmen der Fehlerbalken sehr schön den erwarteten Verlauf und auch die 14-keV-Delle beim Eisen-57 wird reproduziert, was die Korrektheit der Axion-Theorie sehr plausibel macht. Die Signifikanz der Übereinstimmung beträgt allerdings nur 3,5 σ, das heißt die Messungen unterstützen mit 0,05 % Irrtumswahrscheinlichkeit die These, dass die solaren Axionen die korrekte Erklärung der Daten sind – in Kreisen theoretischer Physiker ist das zu wenig für ein nachgewiesenes neues Teilchen, dazu bräuchte es 5 σ (0,000057 % Irrtumswahrscheinlichkeit).

Vergleich der gemessenen Häufigkeiten von Teilchenereignissen über die verschiedenen Energien (schwarze Fehlerbalken) mit einem Modell B0 des Hintergrundrauschens (durchgezogene graue Linie), den modellierten Detektionsraten für die drei Erzeugungsprozesse solarer Axionen (gestrichelte Linien unten, vgl. vorheriges Bild) und der Summe aus beiden (durchgezogene rote Linie). Die Messdaten vollziehen die rote Kurve bis ca. 20 keV sehr gut nach – auch die Delle der Eisen-57-Axionen um 14 keV. Bild: Xenon-Kollaboration [1], arXiv, CC BY 4.0.

Neutrinos mit mehr Schwung als gedacht?

Außergewöhnliche Behauptungen wie die eines neuen Teilchens außerhalb des Standardmodells bedürfen allerdings außergewöhnlicher Belege, und das schließt ein, dass auch alternative Erklärungen untersucht werden. Eine Alternative wäre, dass Neutrinos ein Milliarden Mal größeres magnetisches Dipolmoment hätten als das Standardmodell vorhersagt – sie wären dann wie kleine Magnete und würden öfter mit den Elektronen interagieren, als das Standardmodell annimmt. Dies wäre immer noch eine Sensation, neue Physik jenseits des Standardmodells, das vorhersagt, dass die ungeladenen Neutrinos ein verschwindend kleines magnetisches Dipolmoment haben sollten, 20 Größenordnungen kleiner als dasjenige des Elektrons. Die Vergleichskurve ist im folgenden Diagramm wieder in Rot dargestellt. Die Übereinstimmung ist etwas schlechter als beim Modell der solaren Axionen – der rote Graph macht die wellenförmigen Aufs und Abs der Messdaten nicht in gleicher Weise mit wie diejenigen der solaren Axionen im Bild zuvor. In Zahlen ausgedrückt beträgt die Signifikanz hier 3,2 σ entsprechend 0,14% Irrtumswahrscheinlichkeit.

Eine alternative Erklärung des Ergebnisses wäre ein magnetisches Moment μν des Neutrinos (grüne gestrichelte Linie). In Summe mit dem Hintergrund B0 ergäbe sich die rote Linie, die auch noch zu den Messdaten passt, allerdings mit etwas geringerer Konfidenz. Die Delle bei 14 keV fehlt der roten Kurve. Bild: Xenon-Kollaboration [1], arXiv, CC BY 4.0.

Allerdings müsste das magnetische Dipolmoment in diesem Fall zwischen 1,4 und 2,9·10-11 µB betragen; 1 µB ist in etwa das magnetische Dipolmoment des Elektrons. Dies ist nicht nur eine Milliarde mal mehr als das Standardmodell vorhersagt, sondern auch zehnmal mehr als die obere Grenze, die durch astrophysikalische Messungen ausgeschlossen wird. Denn das magnetische Dipolmoment des Neutrinos beeinflusst gemäß anderer Arbeiten, wie schnell die Wärme aus Sternen und Weißen Zwergen durch Neutrinos abgeführt wird und damit wie schnell Kugelsternhaufen und weiße Zwerge abkühlen. Messungen dieser Abkühlraten schließen Werte von mehr als 4·10-12 µB mit 90% Konfidenz aus.

 

Geht es auch weniger exotisch?

Und es gibt noch eine dritte Möglichkeit, die wesentlich banaler ist: eine Verunreinigung des Xenons mit Tritium. Tritium oder 3H ist ein radioaktives Isotop des Wasserstoffs mit einer Halbwertszeit von 12,3 Jahren und kommt in Wasser mit einem Anteil von einem Tritiumatom auf 1017 Wasserstoffatome vor. Der radioaktive Zerfall von Tritium könnte ein ähnliches Signal wie das beobachtete liefern. Dazu reichte bereits ein Anteil von (6,2±2)·10-25 Tritiumatomen im Verhältnis zur Zahl der Xenon-Atome:

Eine dritte mögliche Erklärung des Resultats würde eine Verunreinigung des Xenons im Detektor mit einem geringen Mengenanteil von (6,2±2)·10-25 Tritiumatomen 3H im Verhältnis zum Xenon liefern (gelbe punktierte Linie). Auf den Hintergrund B0 addiert ergäbe sich der Verlauf der roten Kurve. Bild: Xenon-Kollaboration [1], arXiv, CC BY 4.0.

Dieser Mengenanteil von Tritium lieferte die größte Übereinstimmung mit den Messdaten mit einer Konfidenz von 3,2 σ und die Hypothese hat den Vorteil (je nachdem wie man es betrachtet…) dass sie keine neue Physik benötigt.

Die Autoren haben analysiert, welche Quellen des Tritiums in Frage kommen könnten. So könnte Tritium bei der oberirdischen Lagerung des Xenons durch Einschläge von Partikeln der kosmischen Strahlung entstehen – was allerdings eine eher unwahrscheinliche Quelle wäre, da das Xenon im Experiment fortlaufend von Verunreinigungen durch Fremdgase wie Wasserstoff gereinigt wird. Vielmehr müsste die Tritiumquelle so viel 3H im Betrieb nachliefern, dass trotz Reinigung der gemessene Anteil noch verbliebe, und tief unter dem Berg gibt es so gut wie keine kosmische Strahlung mehr. Wasser und Wasserstoffgas könnten in geringer Menge aus den Materialien im Inneren des Detektors heraus diffundieren, in die sie vor dem Experiment beim Kontakt mit Luft eingedrungen sind. Wasser als Verunreinigung können die Autoren indes ausschließen – kleinste Mengen mit nur 1/10 des für die Hypothese nötigen Tritiumanteils würden die Transparenz des Xenons bereits messbar verringern und wären aufgefallen. Wasserstoffgas können die Autoren hingegen nicht direkt messen, argumentieren in der Arbeit jedoch, warum sie es für unwahrscheinlich halten, dass durch Ausgasung von Wasserstoffgas aus den Detektorbestandteilen so viel Tritium zusammenkäme, um die für die Tritiumhypothese erforderliche Menge zusammen zu bekommen. Zerfälle von Xenon- und Kryptonisotopen haben sie bereits im Hintergrundanteil B0 mit berücksichtigt. So verbleibt als wahrscheinlichste Erklärung das Axion.

 

Dunkle Materie abgehakt?

Ich persönlich neige beim Betrachten der Diagramme oben auch zu dieser Interpretation, da die Messwerte einzig den Verlauf der theoretischen Axion-Kurve gut nachvollziehen, ein Aspekt, der über die rein mathematische Signifikanz in Standardabweichungen σ hinaus geht – bei der Fehlerrechnung geht nämlich nur die jeweilige Abweichung jedes einzelnen Messwerts von der angenäherten Kurve mit ein, aber nicht deren Anordnung. Z.B. schneidet die Kurve das Fehlerintervall für den Wert bei 3 keV (der schwarze Balken der links am höchsten liegt) im obersten Solar-Axion-Diagramm sehr tief und den bei 10 keV sehr hoch. Wäre es umgekehrt, so wäre der Messfehler und damit die Konfidenz rechnerisch exakt dieselbe, aber die Delle nach oben bei 3 keV wäre dann nicht nachvollzogen und stattdessen ergäbe sich eine neue Delle bei 10 keV, wo der rote Graph gar keine hat. Rein optisch spricht der Verlauf der Messwerte jenseits der mathematischen Signifikanz also zusätzlich für das Axion-Modell.

Ob die Ergebnisse tatsächlich Bestand haben, wird sich bald zeigen. Das XENON1T-Experiment wurde 2018 abgeschlossen, um den Nachfolger XENONnT zu bauen, der 8,3 Tonnen Xenon verwenden wird, dessen Herstellung im Oktober 2019 abgeschlossen wurde. Noch Ende dieses Jahres soll XENONnT an den Start gehen und dann wird sich mit erhöhter Messgenauigkeit sehr bald zeigen, ob die Axionen-Hypothese die erforderlichen 5 σ schafft, um als sichere Detektion verbucht werden zu können.

Wäre dann bewiesen, dass die Dunkle Materie aus Axionen besteht? Nein, und darauf weisen die Autoren in ihrer Arbeit extra hin, sie können ja keine Axionen mit der geringen Energie messen, aus der die Dunkle Materie bestehen soll. Aber dass es das Kandidatenteilchen jenseits des Standardmodells überhaupt gibt, wäre ein Durchbruch – die Theorie von Peccei und Quinn wäre bewiesen und damit bestünde Grund zur Annahme, dass auch Sikivies Berechnungen auf stabilem Grund stehen. Dem gegenüber haben die von XENON1T nicht gefundenen WIMPs diese Trägerteilchen der Dunklen Materie noch unwahrscheinlicher gemacht. Vielleicht gelingt es bis vor XENONnT auch schon dem ADMX-Experiment, die Radiowellen der geisterhaften Dunkle-Materie-Axionen nachzuweisen und endlich einen Haken hinter das Kapitel der Dunklen Materie zu machen. Die nächsten Jahre versprechen interessant zu werden.

 

Referenzen

[1] The XENON Collaboration, “Observation of Excess Electronic Recoil Events in XENON1T“, 17. Juni 2020 ; arXiv:2006.09721.

[2] Ethan Siegel, “Is It Dark Matter? Mystery Signal Goes ‘Bump’ In World’s Most Sensitive Detector“, Forbes, 17. Juni 2020.

[3] Natalie Wolchover, “Dark Matter Experiment Finds Unexplained Signal“, Quanta Magazine, 17. Juni 2020.

[4] Charlie Wood, “Top Dark Matter Candidate Loses Ground to Tiniest Competitor“, Quanta Magazine, 27. November 2019.

[5] Anson Hook, “TASI Lectures on the Strong CP Problem and Axions”, 6. Dezember 2018, arXiv:1812.02669.

[6] en.wikipedia.org, “Axion“.

[7] en.wikipedia.org, “Neutron electric dipole moment“.

[8] en.wikipedia.org, “Strong CP problem“.

[9] en.wikipedia.org, “Axion Dark Matter Experiment“.

[10] en.wikipedia.org, “XENON“.

 

Kommentare (47)

  1. #1 rolak
    21. Juni 2020

    Sehr hübsches Sonntagsfrühstück!

    (page does not exist)

    Na was willste auch anderes von einem Menschen erwarten, der sich selbst als ‘Lamestlamer’ einstuft abwertet…

  2. #2 Alderamin
    21. Juni 2020

    @rolak

    Hmm, welcher Link genau? Beim Bild vom ADMX funktionieren bei mir alle Links (Bild, Wikimedia Commons und Lizenz). Und anderswo taucht Lamestlamer nicht auf.

  3. #3 Jens
    21. Juni 2020

    Im zweiten Abschnitt wurden glaube ich Mesonen mit Myonen verwechselt.

  4. #4 Alderamin
    21. Juni 2020

    @Jens

    Ups, in der Tat – Myonen sind Elementarteilchen, Mesonen mittelschwere Teilchen aus Quarks. Habe die Namen durcheinander gebracht. Ist verbessert.

  5. #5 rolak
    21. Juni 2020

    Mehr als eine Stufe verlinkt, Alderamin: hinter Deinem ©Link bei dem wikiCommons-Eintrag ist zu sehen, daß Lamestlamer keine eigene Autoren/Spender-Seite im wiki hat. Wie gesagt: zum Namen passend…

  6. #6 rolak
    21. Juni 2020

    Sorry – doch die Anzeigereihenfolge hat mir eben erst nach dem Schreiben erzählt, daß hier im blog ‘Beantworten’ nicht räumlich funktioniert; ist jetzt aber ordentlich vermerkt. Der Kommentar sollte eine Antwort darauf sein.

  7. #7 Alderamin
    21. Juni 2020

    @rolak

    #5: Ach so, na gut, aber das Bild vom ADMX ist doch alles andere als lahm. Früher habe ich die Autoren-Links auch verlinkt, aber da steht meistens nicht viel – dass das Spenderseiten sind, war mir gar nicht bewusst.

    #6: Das Antworten unter den Kommentaren habe ich auf Leserwunsch abgestellt, weil ansonsten die Kommentarnummern verrutschen und der Bezug auf frühere Kommentare schwieriger wird. Die meisten beherrschen ja nicht die Refernz per HTML-Link, die Du immer gerne nutzt (was etwa auf einem iPad auch recht umständlich ist; das sind immer noch keine vollwertigen Computer, wenn ich da eine WordPress-Seite editiere, selbst in Textansicht, dann kann es sein dass die aktualisierte Seite kaputt geht und z.B. keine Videos mehr anzeigt).

  8. #8 Alderamin
    21. Juni 2020

    A propos Videos, hatte ganz vergessen, das eine oder andere mit einzubetten. Auf der Medienseite von XENON gibt es ein paar nette, die den Zusammenbau und das Innenleben zeigen. Z.B. das hier:

  9. #9 rolak
    21. Juni 2020

    alles andere als lahm

    Da kommt auch alles andere als Widerrede, mußte nur beim hinterherklickern ziemlich grinsen, weil der Zustand so hübsch zum nick passte.

    Antworten .. abgestellt

    War auch kein Jammern – und wenn, dann über mich selber, weil noch kein entsprechendes Lesezeichen unter “/blogs/scienceblogs/beantwortbar” eingetragen war. Bist ja nicht erst seit gestern unterwegs hier ;•)
    Bzgl der Vollwertigkeit gewisser Geräte verweise ich gerne auf jenen rant.

  10. #10 Karl-Heinz
    21. Juni 2020

    @Alderamin

    Hat das Axion eine Ruhemasse?
    Welche Gescheindigkeit hat ein Axion.
    Zu welcher Kategorie würde ein Axion passen?
    a) kalte dunkle Materie
    b) heiße dunkle Materie

    Danke für die Antwort im Voraus.

  11. #11 Karl Mistelberger
    mistelberger.net
    21. Juni 2020

    Nach einigen Sensationsmeldungen im neuen Jahrtausend ist die naheliegendste Frage natürlich: Haben die auch alle Stecker in der Dose?

    Bei den Gravitationswellen hat der experimentelle Nachweis hundert Jahre auf sich warten lassen. Daraus sollten alle lernen.

  12. #12 Alderamin
    21. Juni 2020

    @Karl-Heinz

    Hat das Axion eine Ruhemasse?

    Ja, wie im Artikel geschrieben 10-5 bis 10-3 eV/c².

    Welche Gescheindigkeit hat ein Axion.

    Diejenigen, die die DM bilden sollen langsamer als die Fluchtgeschwindigkeit von Galaxien und Galaxienhaufen, das wären einige 100 km/s. Die solaren, die hier vermutlich nachgewiesen wurden, haben 2-15 keV bei wesentlich kleinerer Ruhmasse, also sind sie fast lichtschnell.

    Zu welcher Kategorie würde ein Axion passen?
    a) kalte dunkle Materie
    b) heiße dunkle Materie

    Die solaren natürlich zur heißen. Aber es wird vermutet, dass die beim Urknall entstandenen die kalte bilden.

  13. #13 Alderamin
    21. Juni 2020

    @Karl Mistelberger

    Nach all den Messungen und Ausschlüssen diverser WIMPs über die vergangenen 12 Jahre gehe ich davon aus, dass die Leute wissen, was sie tun. Auch beim Higgs fing es ungefähr so an.

    Bei den Gravitationswellen hat der experimentelle Nachweis hundert Jahre auf sich warten lassen.

    Beim Neutrino hat es 23 Jahre gedauert, nachdem Pauli meinte, man würde es wohl nie nachweisen können. In 3-4 Jahren werden wir es wohl wissen.

  14. #14 Karl-Heinz
    22. Juni 2020

    Nachdem die Axionen so wenig Masse (10-5 bis 10-3 eV/c².) haben müsste es sehr viele Axionen geben, um die kalte dunkle Materie damit abbilden zu können.
    Was ist eigentlich aus der Idee, die kalte dunkle Materie sei eine Art Supraflüssigkeit, geworden?

  15. #15 Karl Mistelberger
    mistelberger.net
    22. Juni 2020

    > #13 Alderamin, 21. Juni 2020
    > Beim Neutrino hat es 23 Jahre gedauert, nachdem Pauli meinte, man würde es wohl nie nachweisen können. In 3-4 Jahren werden wir es wohl wissen.

    Pauli schrieb am 4. Dez. 1930:

    Ich gebe zu, dass mein Ausweg vielleicht von vornherein wenig wahrscheinlich erscheinen wird, weil man die Neutronen [heute “Neutrinos”], wenn sie existieren, wohl längst gesehen hätte. Aber nur wer wagt, gewinnt und der Ernst der Situation beim kontinuierlichen beta-Spektrum wir durch den Ausspruch meines verehrten Vorgängers im Amte, Herrn Debye, beleuchtet, der mir kürzlich in Brüssel gesagt hat: “O, daran soll man am besten gar nicht denken, sowie an die neuen Steuern.”

    https://cds.cern.ch/record/83282/files/meitner_0393.pdf

    The results were published in the July 20, 1956 issue of Science:

    https://en.wikipedia.org/wiki/Cowan%E2%80%93Reines_neutrino_experiment

    On 14 June 1956 a telegram from Frederick Reines and Clyde Cowan informed Wolfgang Pauli that neutrinos had been detected from fission fragments – nearly 26 years after Pauli first postulated the neutral particle as a solution to the missing energy during beta decay.

    https://timeline.web.cern.ch/neutrinos-detected-last

    Pauli hatte darauf geantwortet: Thanks for message. Everything comes to him who knows how to wait. Pauli.

    Seine Sekretärin hatte allerdings den Text liegen lassen.

  16. #16 Captain E.
    22. Juni 2020

    Das habe ich in der Form auch noch nie so gelesen:

    Gravitation – einpolig
    Elektromagnetismus – zweipolig
    Starke Kernkraft – dreipolig

    Wie viele Pole hat denn eigentlich die Schwache Kernkraft?

  17. #17 Karl-Heinz
    22. Juni 2020

    @Captain E.

    Elektrische Ladungen erscheinen stets als “Singles”, als so genannte Monopole.
    Wassermoleküle erscheinen uns als Dipol.
    Ups … wie war das noch mal mit der Anzahl der Pole?

  18. #18 Alderamin
    22. Juni 2020

    @Captain E.

    Schwache Wechselwirkung ist irre kompliziert. Neben dem Schwachen Isospin gibt es noch eine Schwache Hyperladung (die sich aus dem Schwachen Isospin und der elektrischen Ladung ergibt, also nicht unabhängig besteht), 3 Austauschteilchen (W+, W und Z0), und nicht alle Teilchen wechselwirken mit allen anderen. Ich weiß gar nicht, ob man da von Polen reden kann. Jedenfalls schreibt der englische Wikipedia-Artikel:

    All particles have a property called weak isospin […], which serves as an additive quantum number that restricts how the particle can behave in the weak interaction. Weak isospin plays the same role in the weak interaction as does electric charge in electromagnetism, and color charge in the strong interaction.

    Das klingt zumindest nach zwei Polen.

    Über die Quantenchromodynamik liest man öfter mal was, aber über die schwache Wechselwirkung aber meist nur, dass ihre Austauschteilchen Masse haben und ihre Reichweite gering ist. Sie ist wohl zu kompliziert, um einfach dargestellt zu werden.

  19. #19 Alderamin
    22. Juni 2020

    @Karl Heinz

    Es geht darum, wieviele verschiedene Pole die Kraft an sich kennt. Dass das Wassermolekül ein Dipol ist und das Elektron oder Proton ein Monopol, ändert ja nichts daran, dass es grundsätzlich + und – gibt (und auch neutrale Teilchen).

  20. #20 Alderamin
    22. Juni 2020

    @Karl-Heinz #14

    Was ist eigentlich aus der Idee, die kalte dunkle Materie sei eine Art Supraflüssigkeit, geworden?

    Da müsste ich mich erst nochmal aufschlauen, ich hab’ nur im Hinterkopf, dass Lawrence Krauss die DM mal mit einem Supraleiter verglichen hat, erinnere mich aber nicht an Details.

  21. #21 Karl-Heinz
    22. Juni 2020

    @Alderamin

    Es geht darum, wieviele verschiedene Pole die Kraft an sich kennt. Dass das Wassermolekül ein Dipol ist und das Elektron oder Proton ein Monopol, ändert ja nichts daran, dass es grundsätzlich + und – gibt (und auch neutrale Teilchen).

    Hebe ich im Internet gefunden. 😉

    Insgesamt kennen die Quantenfeldtheorien vier Ladungen, an die die vier Grundkräfte koppeln:

    • Die elektrische Ladung der QED,
    • die schwache Hyperladung der Schwachen Wechselwirkung,
    • die Farbladung der QCD
    • und die Masse als ‘gravitative Ladung’ der Gravitationstheorien.

  22. #22 Karl-Heinz
    22. Juni 2020

    Sehr schön finde ich auch die Erklärung von Alderamin “Wozu braucht jemand Axionen?“. Die Grafik dazu hat mir persönlich sehr weiter geholfen. Wird nur vom Winkel θ gesprochen, kann man sich darunter kaum etwas vorstellen. Unten habe ich zwei Links für ein geteiltes Videoclip eingefügt, die auf Axionen eingehen. Im ersten Teilclip wird nach Abhandlung DM (ab Minute 10) endlich auf die Axionen eingegangen.

    Dunkle Materie • Axionen und Mikrowellen (1/2) • Cafe & Kosmos | Stefan Knirck

    Dunkle Materie • Axionen und Mikrowellen + Fragerunde (2/2) • Cafe & Kosmos | Stefan Knirck

  23. #23 Tox
    22. Juni 2020

    Die Behauptung, dass die elektrostatische Kraft zwei Pole und die starke Wechselwirkung drei Pole hätte, finde ich mindestens irreführend. Neben den drei “Farben” gibt es ja noch die drei “Anti-Farben”. Und wenn man die nicht extra zählt, warum sollte man beim Elektromagnetismus positive und negative Ladungen als separate “Pole” zählen? (Und das ganze gilt sowieso nur für Quarks; bei den Gluonen gibt es acht linear unabhängige Farbkombinationen.)

  24. #24 Karl-Heinz
    22. Juni 2020

    @Tox

    Mit der Polzahl bzw. Polpaarzahl (2 mal Polzahl) kann man Schüler, welche die Spate Elektrotechnik eingeschlagen haben, sehr gut erschrecken. Muß fürchterlich sein, wenn man diesen Begriff nicht versteht. 😉

    https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/5e/Polpaar_zahl_2_2.svg/1066px-Polpaar_zahl_2_2.svg.png

  25. #25 schlappohr
    22. Juni 2020

    “verschiedene Ladungen ziehen sich an, unterschiedliche stoßen sich ab”

    Möchtest du unsere Aufmerksamkeit testen?

  26. #26 Alderamin
    22. Juni 2020

    @Tox

    Die Antifarben entsprechen den subtraktiven Grundfarben Gelb, Cyan und Magenta. Gelb plus Blau gibt additiv Weiß, Rot plus Cyan und Grün plus Magenta ebenso. Trotzdem spricht man immer nur von drei additiven (und drei subtraktiven) Grundfarben.

    Wenn’s Euch stört, kann ich die anderthalb Sätze ja wegnehmen. Ich fand’s interessant und praktisch zum Merken, mit den Axionen hat es direkt gar nichts zu tun.

  27. #27 Alderamin
    22. Juni 2020

    @Schlappohr

    Was? Wo? 😀

  28. #28 Karl-Heinz
    22. Juni 2020

    @schlappohr

    verschiedene Ladungen ziehen sich an, unterschiedliche stoßen sich ab”

    Möchtest du unsere Aufmerksamkeit testen?

    Echt 😉

  29. #29 Karl-Heinz
    22. Juni 2020

    @Alderamin

    Wenn’s Euch stört, kann ich die anderthalb Sätze ja wegnehmen. Ich fand’s interessant und praktisch zum Merken, mit den Axionen hat es direkt gar nichts zu tun.

    Mich stört es nicht. 🙂

  30. #30 Tox
    22. Juni 2020

    @Alderamin:

    Die Antifarben entsprechen den subtraktiven Grundfarben Gelb, Cyan und Magenta.

    Ja, klar. Aber Blau und Gelb sind in genau dem selben Sinn “anti” zueinander, wie positive und negative elektrische Ladung “anti” zueinander sind. (Das Antiteilchen zu einem “blauen” up-Quark ist ein “gelbes” up-Antiquark.) Wenn man also beim Elektromagnetismus positiv und negativ als zwei zählt (und nicht als eins), warum sollte man dann bei der starken Wechselwirkung Blau und Gelb als eins zählen (und nicht als zwei)?

    Ich denke es macht mehr Sinn zu sagen, dass beim Elektromagnetismus die Ladung ein einkomponentiges Objekt ist (das positive und negative Werte annehmen kann), bei der schwachen Wechselwirkung ein zweikomponentiges, und bei der starken Wechselwirkung ein dreikomponentiges. (Jedenfalls für bestimmte Sorten von Teilchen.)

  31. #31 Reggid
    22. Juni 2020

    Elektromagnetismus – zweipolig
    Starke Kernkraft – dreipolig

    wenn man die starke wechselwirkung als “dreipolig” bezeichnet, dann macht es keinen sinn die elektromagnetische als “zweipolig” zu bezeichnen. (ja, natürlich kann die elektrische ladung positiv oder negative sein (oder 0), aber es ist halt trotzdem immer noch nur eine einzige zahl, welche die elektrische ladung charakterisert, und nicht zwei verschieden).

    ich nehme an mit “dreipolig” für die starke wechselwirkung ist gemeint, dass es sich um eine SU(3)-eichsymmetrie handel. (ich wüsste zumindest nicht was mit dem wort “dreipolig” sonst gemeint sein könnte). das ist genau der hintergrund, wenn man sagt es gibt “drei farben”. das bedeutet nämlich dass der farbzustand eines quarks beschrieben wird durch einen drei-dimensionalen vektor, also als eine linearkombination aus (cr*rot + cb*blau+cg*grün), wenn man so will.

    bei der elektromagnetischen wechselwirkung gibt es nun NICHT zwei-dimensionale vektoren. sondern es handelt sich um eine eindimsionale U(1)-eichsymmetrie, was einfach nur eine einfache komplexe phase ist.

    wenn man die QCD “dreipolig” nennt (oder “drei-was-auch-immer”), dann kann man für die QED höchstens das wort “einpolig” verwenden.

    (mathematisch: die fundamentale darstellung der eichgruppe der QCD ist drei-dimensional, die der QED ist ein-dimensional)

  32. #32 Anonym_2020
    22. Juni 2020

    @Alderamin (21. Juni 2020) #4

    “Ups, in der Tat – Myonen sind Elementarteilchen, Mesonen mittelschwere Teilchen aus Quarks. Habe die Namen durcheinander gebracht.”

    Das liegt wahrscheinlich am Alter 🙂 siehe:

    Früher wurde das Myon als My-Meson bezeichnet.

    In den 1960er Jahren wurde aber die Bezeichnung Meson auf Teilchen mit starker Wechselwirkung eingeschränkt

    Quelle:
    https://de.wikipedia.org/wiki/Myon

  33. #33 Captain E.
    23. Juni 2020

    @Alderamin:

    Schwache Wechselwirkung ist irre kompliziert. Neben dem Schwachen Isospin gibt es noch eine Schwache Hyperladung (die sich aus dem Schwachen Isospin und der elektrischen Ladung ergibt, also nicht unabhängig besteht), 3 Austauschteilchen (W+, W– und Z0), und nicht alle Teilchen wechselwirken mit allen anderen. Ich weiß gar nicht, ob man da von Polen reden kann. Jedenfalls schreibt der englische Wikipedia-Artikel:

    All particles have a property called weak isospin […], which serves as an additive quantum number that restricts how the particle can behave in the weak interaction. Weak isospin plays the same role in the weak interaction as does electric charge in electromagnetism, and color charge in the strong interaction.

    Das klingt zumindest nach zwei Polen.

    Über die Quantenchromodynamik liest man öfter mal was, aber über die schwache Wechselwirkung aber meist nur, dass ihre Austauschteilchen Masse haben und ihre Reichweite gering ist. Sie ist wohl zu kompliziert, um einfach dargestellt zu werden.

    Kein Wunder, dass man sich unter der Schwachen Wechselwirkung so rein gar nichts mehr vorstellen kann. Mir fällt gerade noch ein, dass es eine Theorie gibt, die Elektromagnetismus und Schwache Wechselwirkung zur elektroschwachen Wechselwirkung vereinigt. Da könnte man glatt meinen, die beiden Kräfte wären enger miteinander verwandt als alle anderen. Trotzdem sind natürlich die Austauschteilchen, Photonen einerseits und W+, W– und Z0 andererseits, so unähnlich wie es nur geht.

    Wie du schon sagtest: Irre kompliziert!

  34. #34 Karl-Heinz
    23. Juni 2020

    Artikel von Alderamin ist informativer als der Artikel im Spektrum der Wissenschaft. 🙂

    https://www.spektrum.de/news/mysterioeses-signal-elektrisiert-physiker/1744562

  35. #35 fraju
    Hamburg
    26. Juni 2020

    Sehr schöner Artikel. Nur eine kleine Kritik:
    ” Die Signifikanz der Übereinstimmung beträgt allerdings nur 3,5 σ, das entspricht 0,05 % Wahrscheinlichkeit, dass die Übereinstimmung zufällig ist”
    Das ist mitnichten die Wahrscheinlichkeit für die Gültigkeit der Nullhypothese, also einer zufälligen Übereinstimmung.
    Vielmehr tritt die beobachtete Übereinstimmung in 0,05% aller Fälle auf, wenn die Nullhypothese gilt, dort also nichts ist.
    Dass der Umkehrschluß gilt, ist ein populärer Irrtum in der Wissenschaft, macht die Sache aber nicht richtiger.

  36. #36 Alderamin
    26. Juni 2020

    @fraju

    Vielmehr tritt die beobachtete Übereinstimmung in 0,05% aller Fälle auf, wenn die Nullhypothese gilt, dort also nichts ist.

    Also tritt die Übereinstimmung in 0,05% der Fälle zufällig auf, wenn die getestete Hypothese gar nicht gilt (also 0,05% falsch positiv). Aber das steht genau da.

  37. #37 fraju
    27. Juni 2020

    @Alderamin
    Pardon, aber das steht da nicht. Dort steht, dass die Wahrscheinlichkeit für die Zufälligkeit der beobachteten Abweichung 0,05% ist.
    Es ist aber nun mal so, dass die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten einer bestimmten statistischen Signifikanz bei Gültigkeit der Nullhypothese NICHT gleich der Wahrscheinlichkeit für die Gültigkeit der Nullhypothese ist, auch wenn in vielen wisssenschaftlichen Veröffentlichungen leider genau so argumentiert wird.
    Ein Statistik Prof. bezeichnete dies einmal mir gegenüber als DEN Wissenschaftsirrtum des Jahrhundert.
    Du glaubst mir nicht ? Vielleicht hast Du noch die Kraft für ein Beispiel:
    Wie viele der Theorien, die wir in Laufe der Jahrzehnte so testen sind richtig ? Wir wissen es nicht, also schätze ich völlig willkürlich 10%. Von 1000 Theorien sind dann 100 richtig und 900 falsch.
    Angenommen wir fordern ein Signifikanzniveau von 5%. Dann sind von den falschen definitionsgemäß 45 singifikant. Wie viele von den richtigen sind signifikant ? Wissen wir ebenfalls nicht. Ich schätze, dass wir sehr gut sind und 80% erwischen.
    Die Wahrscheinlichkeit für die Gültigkeit der Nullhypothese ist dann 45/(45+80). Das sind 36%, was erheblich größer ist als 5%.
    Was ich klar machen will ist: Wie groß die Wahrscheinlichkeit für die Gültigkeit der Nullhypothese ist, wissen wir nicht. Jedenfalls ist sie größer als die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten einer bestimmten Signifikanz bei Gültigkeit der Nullhypothese.
    Noch ein Beispiel aus dem täglichen Leben: Die Wahrscheinlichkeit, 6 Richtige im Lotto zu haben, ist ungefähr null. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, Lotto gespielt zu haben, wenn man 6 Richtige hat, etwa null ?
    Sind deshalb alle statistischen Auswertungen Blödsinn ? Natürlich nicht, aber man darf die Ergebnisse nicht falsch interpretieren.

  38. #38 Alderamin
    27. Juni 2020

    @fraju

    Ruhig, Brauner. Ich habe ja versucht, Deine Änderung in einem kurzen, knappen, allgemeinverständlichen Statement in den Text zu formulieren, kam aber wieder auf denselben Text.

    Ich hab’ hier nochmal nachgeschlagen:
    https://www.scribbr.de/statistik/signifikanzniveau/

    Die 0,05% sind demnach die Wahrscheinlichkeit eines α-Fehlers, d.h. die Stichprobe spricht für die Alternativhypothese, aber tatsächlich stimmt die Nullhypothese. 99,95% sind dementsprechend die Wahrscheinlichkeit für keinen α-Fehler, d.h. die Stichprobe bestätigt korrekterweise die Alternativhypothese.

    Die Alternativhypothese oben ist, dass es solare Axionen sind. Die Nullhypothese ist, dass es keine solaren Axionen sind, sondern die Abweichung ist einfach ein statistischer Zufall oder irgendetwas anderes (irgendein ein anderer Effekt, ein paar Kandidaten wurden ja genannt).

    0,05% Signifikanzniveau bedeuten, dass die Irrtumswahrscheinlichkeit, die Hypothese der solaren Axionen aufgrund der Messdaten anzunehmen, obwohl sie nicht für die Abweichung verantwortlich sind, 0,05% beträgt. Ich stimme zu, dass eine zufällige Abweichung nicht die einzige Möglichkeit ist, die für einen Irrtum in Frage kommen kann, insofern ist es oben etwas lax formuliert.

    Ich ändere die Formulierung oben mal auf den Begriff der Irrtumswahrscheinlichkeit. Wenn’s das auch nicht ist, dann bitte ich um einen alternativen Formulierungsvorschlag, der kurz und allgemeinverständlich ist. Im Zweifelsfall ist eine leicht fehlerhafte, aber verständliche Erklärung einer absolut korrekten, aber unverständlichen Erklärung vorzuziehen. Sonst bräuchte man weder Bohr noch Newton zu lehren…

  39. #39 Karl-Heinz
    27. Juni 2020
  40. #40 fraju
    28. Juni 2020

    @Alderamin
    Ich bin ruhig und war es zu jeder Zeit. Vielen Dank übrigens, dass Du mir so ausführlich antwortest, auch wenn wir da offensichtlich nicht zusammenkommen. Ich will auch keine Endlosdiskussion lostreten, aber lass mich bitte noch folgendes abschließend sagen, ich kann nicht anders:
    Die Aussagen einer promovierten Sozialwissenschaftlerin auf scribr sind ganz sicher nicht unbedingt der wissenschaftliche Standard. Ich halte sie im großen und ganzen für falsch, die klassische Fehlinterpretation des Signifikanzniveaus. Da vertraue ich doch eher meinem Statistik Prof. bzw. anerkannten Lehrbüchern über Statistik oder auch Wikipedia.
    Auf Wikipedia heißt es unter Signifikanzniveau zum Beispiel (Fettdruck von mir hinzugefügt):

    „Zu Fragen nach der Stärke von Effekten, der Relevanz von Ergebnissen oder deren Übertragbarkeit auf andere Umstände gibt das Ergebnis eines Signifikanztests keine Auskunft. Der p-Wert, welcher die statistische Signifikanz induziert, wird sehr häufig fehlinterpretiert und falsch verwendet, weswegen sich die American Statistical Association im Jahr 2016 genötigt sah, eine Mitteilung über den Umgang mit statistischer Signifikanz zu veröffentlichen.[2] Einer kleinen kanadischen Feldstudie von 2019 zufolge wird in etlichen Lehrbüchern der Begriff nicht korrekt vermittelt.[3] „

    sowie:

    Signifikanz ist entgegen einer weit verbreiteten Meinung nicht mit der Irrtumswahrscheinlichkeit gleichzusetzen….“

    Und unter p-Wert:

    „Wenn die Nullhypothese zugunsten der Alternativhypothese verworfen wird, wird das Resultat als „statistisch signifikant“ bezeichnet. „Signifikant“ bedeutet hierbei lediglich „überzufällig“. Ein häufiges Missverständnis ist die Gleichsetzung dieser Aussage mit der falschen Behauptung, der p-Wert würde angeben, wie wahrscheinlich die Nullhypothese bei Erhalt dieses Stichprobenergebnisses sei. Tatsächlich wird mit dem p-Wert jedoch angedeutet, wie extrem das Ergebnis ist: Je kleiner der -Wert, desto mehr spricht das Ergebnis gegen die Nullhypothese.
    Goodman formuliert 12 Aussagen über p-Werte, die ausgesprochen weit verbreitet und dennoch falsch sind,[6] wie zum Beispiel die folgenden:
    Falsch ist: Wenn p=0,05 , ist die Chance, dass die Nullhypothese wahr ist, nur 5 %.
    ….“

    Deshalb bleibe ich dabei, dass 0,05% Signifikanzniveau NICHT bedeutet, dass die Nullhypothese mit 0,05% iger Wahrscheinlichkeit richtig ist und die Alternativhypothese mit 99,5% iger Wahrscheinlichkeit stimmt, sondern „lediglich“, dass die beobachtete Abweichung mit 0,05% iger Wahrscheinlichkeit auftritt, wenn die Nullhypothese richtig ist. Siehe mein Beispiel für den Unterschied zwischen diesen beiden Aussagen. Was ist an dem Beispiel falsch, außer, dass ich die a priori Wahrscheinlichkeit geschätzt habe oder vielmehr schätzen MUSSTE ( auf 10 % ) ?
    Dein Blog ist übrigens ausgezeichnet. Ich werde ihm auch weiter gewogen bleiben.

  41. #41 Karl-Heinz
    29. Juni 2020

    (Sorry, ist für mich zur Auffrischung)

    Verstehst auch Du statistische Signifikanz falsch?

  42. #42 Reggid
    29. Juni 2020

    Die 0,05% sind demnach die Wahrscheinlichkeit eines α-Fehlers, d.h. die Stichprobe spricht für die Alternativhypothese, aber tatsächlich stimmt die Nullhypothese. 99,95% sind dementsprechend die Wahrscheinlichkeit für keinen α-Fehler, d.h. die Stichprobe bestätigt korrekterweise die Alternativhypothese.

    diese aussage ist falsch. so funktionieren bedingte wahrscheinlichkeiten nicht.

    wer das nicht glaubt, kann sich das mit einem einfachen intuitiven beispiel veranschaulichen.

    der p-Wert gibt die wahrscheinlichkeit, dass unter der annahme dass die nullhypothese gilt, ein resultat mit dieser (oder höherer) signifikanz erhalten wird. also gegeben nullhypothese, wie wahrscheinlich ist dann ein derartiges resultat? antwort: p-Wert.

    das ist eine bedingte wahrscheinlichkeit.

    machen wir ein anderes beispiel für eine bedingte wahrscheinlichkeit. wählen wir z.B. in einer geburtenklinik zufällig eine person aus. gegeben dass diese person weiblich ist, wie wahrscheinlich ist es dass diese person gerade schwanger ist? antwort: 40% (nur irgend eine zahl als beispiel).

    aber wer jetzt glaubt, er kann bedingte wahrscheinlichkeiten umdrehen zu: gegeben ein derartiges resultat, wie wahrscheinlich ist es dass die nullhypothese nicht gilt: antwort 1-p (achtung: das ist nicht korrekt), der müsste gemäß der selben (falschen) umkehrung auf die frage “gegeben dass die ausgewählte person gerade schwanger ist, wie wahrscheinlich ist es dass sie nicht weiblich ist?” antworten mit: 60%.

    und das würde ich dann doch nicht glauben, dass tatsächlich jemand diese antwort geben würde 😉

  43. #43 Alderamin
    1. Juli 2020

    @Reggid

    Danke, das Stichwort “bedingte Wahrscheinlichkeit” hat geholfen – natürlich weiß ich, was eine bedingte Wahrscheinlichkeit ist (mir war nur der Zusammenhang nicht so klar, warum die hier gegeben oder relevant ist). Ich hab’s oben nochmal umformuliert und hoffe, so kann man es formulieren, ohne einen Exkurs über bedingte Wahrscheinlichkeiten aufzumachen. “Die Messungen stützen die These mit 0,05% Irrtumswahrscheinlichkeit”. Das heißt, nimmt man die These als gegeben, dann ist die Wahrscheinlichkeit 0,05%, dass die Messdaten so weit von der Vorhersage abweichen, dass man die These fälschlicherweise verwerfen würde.

    Dies oder “Die Wahrscheinlichkeit, dass, wenn die These gilt, die Messdaten mehr als beobachtet von der durch die These vorhergesagten Werte abweichen, beträgt 0,05%” versteht allerdings bloß niemand mehr.

    Wie gesagt, falls jemand eine bessere, verständliche Formulierung hat, verwende ich die gerne. Am besten mache ich mal eine Erklärseite dazu und verlinke dann einfach darauf. Was ich im Web fand, war entweder unverständlich oder falsch. Wikipedia ist da eine Meisterin im Verschleiern von Erklärungen, weil sie Unverständliches möglichst fachchinesisch erklärt und dabei auf anderem Unverständlichem durch Verlinkung aufbaut, das einfach als verstanden deklariert wird.

  44. #44 Reggid
    1. Juli 2020

    Die Messungen stützen die These mit 0,05% Irrtumswahrscheinlichkeit

    das ist richtig, wobei allerdings viele den begriff “irrtumswahrscheinlichkeit” falsch verstehen werden. weil er eben eine bestimmte festgelegte bedeutung hat, und nicht die “wahrscheinlichkeit ist, sich zu irren.”

    Das heißt, nimmt man die These als gegeben, dann ist die Wahrscheinlichkeit 0,05%, dass die Messdaten so weit von der Vorhersage abweichen, dass man die These fälschlicherweise verwerfen würde.

    These -> Nullhypothese
    sonst ist man verwirrt ob die these jetzt ist “es gibt keine axionen”, oder “es gibt axionen”.

    ja es ist schwierig eine formulierung zu finden, die korrekt ist aber nicht so umständlich und kompliziert. wie wäre es mit:

    Unter der Annahme, dass es den Effekt in Wirklichkeit gar nicht gibt und es sich nur um eine zufällige statische Fluktuation handelt (so wie man auch zufällig mehrmals hintereinander eine 6 würfeln kann), würde man ein derartiges Resultat nur mit einer Wahrscheinlichkeit von 0.05% erwarten.

    (dabei nimmt man natürlich wieder an, dass alle messungen korrekt durchgeführt wurden. es geht hier ja nur um die statische signifikanz. das sagt nichts darüber aus, wie “wahrscheinlich” es ist dass der experimentator mist gebaut hat. überlichtschnelle neutrinos und der (indirekte) nachweise von gravitationswellen von BICEP2 waren auch statistisch signifikant (6 und 7 sigma). aber einmal war’s halt ein loses kabel und einmal haben sie den kosmischen staub nicht rausgerechnet.)

  45. #45 fraju
    1. Juli 2020

    @Reggid, @Alderamin
    Die gesuchte Formulierung lautet wie folgt:

    “Die Signifikanz der Übereinstimmung beträgt allerdings nur 3,5 σ. Die Irrtumswahrscheinlichkeit, das heisst die Wahrscheinlichkeit für ein falsch positives Ergebnis, beträgt somit 0,05%. Das bedeutet, dass sich in 0,05% aller Fälle die beobachtete oder sogar eine bessere Übereinstimmung der Daten mit dem Axionen Modell auch rein zufällig ergeben würde”

    Das ist die exakte Bedeutung des Signifikanzniveaus und schon deshalb kann es nicht unverständlich sein.
    Jedenfalls sollte nicht der leiseste Verdacht beim Leser entstehen, das Signifikanzniveau würde eine quantitative Aussage über die Wahrscheinlichkeit der These oder der Nullhypothese machen, macht es nämlich nicht, aber ich glaube, darüber sind wir uns mittlerweile auch einig.

  46. #46 Karl-Heinz
    1. Juli 2020

    Geschichtliche Anekdote
    John Arbuthnott (1710, Arzt von Queen Ann) war wahrscheinlich der erste, der einen „Nullhypothesentest“ durchführte:- Da Männer zu diesen Zeiten gefährlicher lebten als Frauen, müsse Gott mit einer höheren Geburtenrate von Jungen dafür sorgen, dass die Voraussetzungen allgegenwärtiger Monogamie weiterhin gegeben sind- Er stellte fest, dass in 82 Jahren Geburtenaufzeichnungen in London jedes mal mehr Jungen als Mädchen geboren waren.- Um seine Hypothese zu untermauern, berechnete er die Wahrscheinlichkeit, ein solches Ergebnis „zufällig“ zu erhalten, mit (1/2)82- Da diese Zahl astronomisch klein ist, ist nach Arbuthnott nicht nur die Existenz Gottes bewiesen, sondern auch dessen Vorliebe für Monogamie

  47. #47 René
    2. Juli 2020

    Danke @Alderamin, @Reggid, @fraju für Eure Geduld und Mühe bei der Richtigstellung des Begriffs “Signifikanzniveau” und @Karl-Heinz für den coolen Link! Das ist ein prima Exkurs in die Stochastik, die ich leider nie mit erschöpfender Gründlichkeit pauken oder tatsächlich benutzen musste/durfte. ;o)