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:
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.
In 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:
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
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