Letzten Juni hatte Florian über ein interessantes Experiment berichtet, bei dem man nach Photonen sucht, die sich spontan in Axionen, einen Kandidaten für Dunkle Materie umwandeln. Die ersten Ergebnisse zeigen jetzt: Nüscht. Trotzdem spannend.

Shadows in a dark place lurk inside the walls
Hiding from daylight hiding from us all
Windows of a past life, reflections hard to find
Memories of lost days, etch their place in time
— METAL CHURCH, A Light in the Dark

Die Idee war die folgende:

Vorschaubild für wisp.jpg

Um Probleme mit der Starken Kraft in den Griff zu bekommen, wurde eine Theorie u.a. von Frank Wilczek entwickelt, die dafür aber ein neues Teilchen vorhersagt – das Axion. Die Starke Kraft bricht im Standardmodell nämlich CP, was sie eigentlich nicht sollte…
Axionen sind das bekannteste Beispiel für “Weakly Interacting Sub-eV Particles” (WISPs), also sehr leichte, reaktionsträge Teilchen, die ein Kandidat für Dunkle Materie sind.
Das Experiment nutzt jetzt die Vorhersage, dass ein Photon in einem Magnetfeld sich spontan in ein WISP umwandeln kann, die Wand durchdringt und dann wieder zum Photon wird.
Man ballert also tierisch viele Photonen auf eine Wand und schaut ob dahinter welche durchkommen – einfaches Prinzip.
ResearchBlogging.orgIn einer neuen Veröffentlichung in den Physical Letters B (arXiv) stellt die ALPS-Kollaboration um Erstautor Klaus Ehret jetzt die Ergebnisse vor.
Für den Versuch wird ein 35W-Laser in einem optischen Resonator im Vakuum noch weiter verstärkt und auf einen starken Absorber, die Wand, geschossen. Dahinter befindet sich eine weitere Vakuumröhre mit einer CCD-Kamera. Diese wird ohne Wand auf die eintreffenden Photonen ausgerichtet. Sollten nun Photonen über ein WISP-Manöver durch die Wand kommen, müssten sie sich identifizieren lassen, weil sie die gleichen Charakteristika wie die Laser-Photonen haben. Um genug Sammelzeit für mögliche Photonen zu haben, aber Einflüsse durch z.B. kosmische Strahlung zu minimieren, wurde jeweils eine Stunde lang aufgenommen. Es wurden verschiedene Konfigurationen mit unterschiedlicher Polarisation getestet.

Das Ergebnis habe ich ja schon in der Einleitung festgehalten: Nichts gefunden. Aber physikalisch drückt man das dann immer als obere Grenze für die Existenz des Phänomens aus. Das genaue Ergebnis ist daher, dass solche Umwandlungen seltener als für eines in 1025 Photonen geschehen.

Versteckte Photonen

Die Auswertung hat sich aber noch mit einem weiteren WISP beschäftigt: den “versteckten Photonen”. Und hier wird es wirklich interessant, und daher suchen auch weitere Experimente danach. Diese versteckten Photonen werden nämlich von einigen Theorien vorhergesagt, unter anderem String-Theorien, und sagen zusätzliche “versteckte” Felder vorher. Diese interagieren durch sehr massive Teilchen (oder Gravitation) mit unseren “sichtbaren” Feldern. Ein einfaches zusätzliches Feld wäre das der versteckten Photonen. Diese müsste durch ihre Interaktion die Gesetze der Elektrodynamik unwahrscheinlich wenig verschieben. Man könnte sie auch in Experimenten beobachten, die genau schauen was alles von der Sonne kommt. Und auch das ALPS-Experiment trägt jetzt dazu bei, die Grenze langsam aber sicher an Bereiche hin zu schieben, in denen eventuell sogar Vorhersagen der String-Theorie überprüfbar werden! (Ruhe bewahren, sind wir noch ein Stückchen von weg leider…). Diese versteckten Photonen wären auch ein WISP. Außerdem wird eine Oszillation von Photonen in versteckte Photonen vorhergesagt – was sie durch dieses Experiment auffindbar machen müsste.
Wenn wir nochmal die Abkürzung WISP ansehen (“Weakly Interacting sub-eV Particles”) fällt uns außerdem noch was auf! Das “sub-eV”! Versteckte Photonen hätten Masse! Das hilft uns, das neue Ergebnisbild (aus dem Paper, Referenz siehe Fußnote) zu verstehen:

i-448a1e911cc8830a29c2908b5754078b-hidden-photons-thumb-345x267.jpg

Hier ist die geprüfte Masse des versteckten Photons aufgetragen gegen einen Parameter χ der Auftrittshäufigkeit. Die farbigen Bereiche werden durch verschiedene Experimente ausgeschlossen, die roten und gelben Bereiche sind dabei die neuen Ergebnisse von ALPS.
Der Bereich, in dem man die String-Theorie testen würde, liegt übrigens bei Masse <10-6 eV und Parameter χ < 10-8. Das ist also noch ein ordentliches Stück…
Genauere Tests der Kopplung Axion-Photon würden übrigens auch erlauben, mögliche Lösungen für ungeklärte Fragen der Astronomie/Kosmologie zu prüfen, z.B. warum Gammastrahlen vom Universum weniger stark absorbiert werden als erwartet.


Ehret, K., Frede, M., Ghazaryan, S., Hildebrandt, M., Knabbe, E., Kracht, D., Lindner, A., List, J., Meier, T., & Meyer, N. (2010). New ALPS results on hidden-sector lightweights Physics Letters B, 689 (4-5), 149-155 DOI: 10.1016/j.physletb.2010.04.066



Kommentare (8)

  1. #1 Jörg W.
    05/25/2010

    Das ist so Hardcore-Physik, dass ich echt gespannt bin, ob es auch hier Trolle geben wird 😉
    Gibt es irgendwo eine gute Grafik oder was Ähnliches, was den ganze Teilchenzoo auch für Laien verständlich darstellt?

  2. #2 cimddwc
    05/25/2010

    Könnten sich Axionen – die, wenn sie einen nennenswerten Beitrag zur Dunklen Materie leisten, ja wohl auch ziemlich zahlreich sein müssten – dann auch spontan “von sich aus” in Photonen verwandeln(*), oder nur wenn sie vorher wie in diesem Versuchsaufbau schon eines waren? (Kann man das überhaupt so getrennt sehen?)

    (*) das wäre dann wirklich, Achtung Wortspiel, ein Irrlicht 🙂

  3. #3 Jörg
    05/25/2010

    @Jörg: Also in diesem Video
    http://www.atlas.ch/contest/index.html#2
    werden die Teile des Standardmodells ganz schön dargestellt.
    In diesem (deutlich längeren) Vortrag von Sean Carroll werden die Teile besser erklärt
    http://www.scienceblogs.de/diaxs-rake/2009/02/video-am-freitag-das-universum-und-alles.php
    Aber das ist nur das Standardmodell. Zu dem ganzen gewaltigen Zoo an -onen in verschiedenen Theorien kenn ich auch keine Übersicht.

    @cimddwc: Tja wenn man jetzt die Theorie kennen würde…aber da sich das Axion auch wieder zurückwandelt, sollte das schon möglich sein. Aber vielleicht nur kurz oder nur selten, sonst wäre die Dunkle Materie ja nicht ganz dunkel.

  4. #4 MartinB
    05/25/2010

    @Jörg,cimddwc
    Naja, wenn sich ein einsames Axion in ein Photon umwandeln soll, dann gibt es doch sicher Ärger mit Energie- und Impulserhaltung, oder? Wenn die Hinverwandlung nen Magnetfeld braucht, dann die Rückverwandlung sicher auch.

    @JörgW
    Beschreie es nicht – habe gerade nen Diskussionsmarathon auf den Arte-Fakten hinter mir (Gravitation ist oszillierende Raumzeit, Vakuum gibt es nicht und über die Lichtgeschwindigkeit weiß man eigentlich auch nichts…)

  5. #5 Jörg
    05/25/2010

    Stimmt, das Magnetfeld! Das hab ich vergessen, das ändert die Lage natürlich.

    /Nachtrag: Es gibt ja auch kosmische Magnetfelder. Aber was hab ich hier gefunden?

    . A cosmologically interesting topic concerns axion-photon conversion induced by intergalactic magnetic fields, which offers an alternative explanation for the dimming of distant supernovae, without the need for cosmic acceleration. However, the same mechanism would cause excessive spectral distortion of the cosmic microwave background (CMB).

  6. #6 Frank Wappler
    05/28/2010

    In Anbetracht der Tatsache, dass die Absorberwand des Experimentes so gewählt ist, dass das el.-mag. Laserlicht so gut wie gar nicht hindurchscheint,
    und unter der Annahme, dass sich die vermuteten Teilchen zumindest mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit ganz in el.-mag. Licht wandeln könnten,
    wie groß wäre die Wahrscheinlichkeit, dass solch ein Teilchen die gesamte Absorberwand durchdringen würde?

  7. #7 Jörg
    05/28/2010

    @Frank Wappler: Tja, gute Frage, dazu steht nichts im Paper, und da kosmische Strahlung wohl eher ein Problem macht, ist die Wahrscheinlichkeit wohl prkatisch gleich Null.

  8. #8 Frank Wappler
    06/02/2010

    Jörg schrieb (28.05.10 · 21:03 Uhr):

    > dazu steht nichts im Paper

    Doch doch, in
    http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/1004/1004.1313v1.pdf
    steht


    Any WISPs produced will traverse a thick light absorber (henceforth, the “wall”) […]

    — also dass die WISP-Wand-Durchdringungs-Wahrscheinlichkeit praktisch 100 % sei.

    Ein oberflächlicher Blick in das genannte Dokument, und vielleicht sogar noch mehr z.B. auf PRD37, 1237 (1988), “Mixing of the photon with low-mass particles” (d.i. eine Referenz im ALPS-“Letter-of-Intent”) zeigt mir zumindest, dass das nicht so ganz einfach beurteilt werden kann.
    (Besonders bemerkenswert in Letzterem:


    [… under certain circumstances] photons would completely oscillate into axions […] or vice versa. This is fully analogous to “resonant” neutrino oscillations [… MSW effect]

    Ich fände es einfach mal interessant, wenn in Kenntnis und unter Berücksichtigung solcher Eventualitäten mal quantifiziert werden könnte, in wie fern sowas insbesondere innerhalb der Absorberwand zu erwarten wäre, oder nicht.)

    > und da kosmische Strahlung wohl eher ein Problem macht

    … zumindest war gegenüber dem Hintergrund kein Signal erkennbar …

    > ist die Wahrscheinlichkeit wohl prkatisch gleich Null.

    Der genannte Artikel zieht aus dem Null-Resultat aber offenbar gerade _nicht_ die Konsequenz, dass die WISP-Wand-Durchdringungs-Wahrscheinlichkeit praktisch gleich Null wäre; sondern vielmehr, dass die Produktions- und Rückkonversions-Wahrscheinlichkeiten _außerhalb_ der Absorberwand praktisch gleich Null wären,
    mit den entsprechenden Konsequenzen für mögliche Eigenschaften der vermuteten Teilchen.