Teilchenphysik: Ein Detektor für Dunkle Materie
Obwohl sie bis zu 85 Prozent der Masse unseres Universums ausmachen könnte, wurde Dunkle Materie noch nie direkt nachgewiesen. Wissenschaftler wissen nicht einmal, woraus sie besteht. Der vielversprechendste Kandidat sind sogenannte Axionen. Aber selbst davon wurde wahrscheinlich noch nie auch nur ein einzelnes erfasst(öffnet im neuen Fenster) .
Dank einer neuen Studie könnte sich das bald ändern. "Diese Forschung ist extrem wichtig und aufregend" , sagt Fran Chadha-Day von der Universität Durham, England, die nicht an der Studie beteiligt war, im Gespräch mit Golem. "Wir wissen nun, dass Axion-Quasiteilchen existieren" , so die Teilchenphysikerin. "Das könnte uns Dunkle Materie messen lassen."
Axion-Quasi... was?
Quasiteilchen sind bestimmte Konfigurationen von Materie, die sich wie Elementarteilchen verhalten, also Photonen, Elektronen und womöglich auch Axionen. Ein Axion-Quasiteilchen ist also ein Phänomen, bei dem sich ein ganz bestimmtes Material unter sehr besonderen Umständen so verhält wie ein Axion.
Axionen selbst sind hypothetische Elementarteilchen, die mit so gut wie nichts interagieren. Deswegen haben Forscher sie bisher nicht gefunden. Zwei Größen der Physik, Frank Wilczek und Steven Weinberg, haben ihre Existenz im Jahr 1978 gleichzeitig vorgeschlagen. Wilczek nannte sie Axionen, weil sie das sogenannte CP-Problem auflösen würden wie das Putzmittel Axion den Schmutz.
Wissenschaftler entdecken vollkommen neuen Beweis
Eine Arbeitsgruppe unter der Leitung von Suyang Xu von der Harvard Universität hat nun in einem sehr seltsamen Material das erste Axion-Quasiteilchen erschaffen. "Das ist vollkommen neu für die Wissenschaft" sagt David E. Marsh vom King's College London, Co-Autor des Artikels in der Fachzeitschrift Nature(öffnet im neuen Fenster) .
Bisher waren selbst Axion-Quasiteilchen rein theoretisch: Wissenschaftler wussten nicht, ob sie überhaupt erzeugt werden können.
Unerforschte Methode auf Quantenebene
Für seinen Durchbruch stellte das internationale Team einen zweidimensionalen Kristall aus Mangan-Wismut-Tellurid her, chemisches Zeichen: MnBi 2 Te 4 . Die Struktur ist nur ein einzelnes Molekül dick. Das sei "ein bisher unerforschter Weg" , Axion-Quasiteilchen zu erzeugen, sagt Jian-Xiang Qiu, der die Versuche durchführte. In MnBi 2 Te 4 wurde auf der Quantenebene endlich das Axion nachgewiesen.
Praktisch setzen er und die anderen Physiker dabei auf noch ein anderes Quasiteilchen. Das sogenannte Magnon ist ein besonderer magnetischer Zustand: eine bestimmte Konfiguration in der Art, wie sich die Elektronen verhalten. Es sieht dann so aus, als laufe eine Welle durch den Spin der Elektronen, in etwa wie eine La Ola entlang der Tribüne in einem Stadion.