Axion

Das Axion ist ein Teilchen, das bisher niemand gemessen hat. Es existiert also vorerst nur als Vorhersage auf dem Papier. Physiker haben es in den 1970er-Jahren erfunden, um eine Ungereimtheit in ihren Formeln zu beseitigen. Wenn es existiert, ist es unvorstellbar leicht: Schätzungen liegen bei einem Milliardstel eines Milliardstels der Masse eines Elektrons, also des Teilchens in der Hülle eines Atoms. Außerdem wäre es fast völlig unsichtbar, weil es kaum mit gewöhnlicher Materie wechselwirkt. Genau diese Kombination macht es sowohl interessant als auch extrem schwer nachzuweisen.

Ein Teilchen, das zwei Rätsel auf einmal löst

Der ursprüngliche Anlass war ein Problem in der Theorie der starken Kernkraft. Diese Kraft hält die Bausteine eines Atomkerns zusammen. Die Gleichungen dieser Theorie erlauben eigentlich, dass Neutronen eine leichte elektrische Unwucht haben. Messungen zeigen aber: Diese Unwucht ist null oder jedenfalls unfassbar klein. Ein Naturgesetz, das sich ohne erkennbaren Grund exakt auf null einstellt, gilt in der Physik als verdächtig.

Die vorgeschlagene Lösung ist ein neues Feld, das sich von selbst in die Null-Stellung bewegt, ähnlich wie eine Kugel in eine Mulde rollt. Das Axion wäre das Teilchen, das zu diesem Feld gehört. Es beseitigt damit ein Problem, das man nicht durch Herumschrauben an Konstanten wegbekommt.

Der zweite Grund für das große Interesse kam später. Rund 85 Prozent der Materie im Universum ist unsichtbar und verrät sich nur durch ihre Schwerkraft. Diese Dunkle Materie muss aus etwas bestehen, das kein Licht abgibt. Axionen passen erstaunlich gut in diese Rolle. Ein Teilchen, das aus einem ganz anderen Grund erfunden wurde und dann noch ein zweites Rätsel löst, gilt als starkes Indiz für eine gute Idee.

Wie man ein unsichtbares Teilchen in Licht verwandelt

Die Theorie sagt voraus, dass ein Axion in einem starken Magnetfeld in ein Lichtteilchen umschlagen kann. Das ist der einzige praktikable Hebel für Experimente. Man baut also eine Art Falle: einen sehr starken Magneten, dazu einen Hohlraum, der wie eine Stimmgabel auf eine bestimmte Frequenz abgestimmt ist. Fliegt ein Axion hindurch, sollte im Hohlraum ein winziges Funksignal entstehen.

Das Problem ist die Stärke des Signals. Es liegt weit unter dem Rauschen normaler Elektronik. Deshalb werden solche Detektoren auf wenige Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt gekühlt. Zusätzlich kommen Verstärker aus der Quantentechnik zum Einsatz, die auch in Quantencomputern stecken.

Dazu kommt: Niemand kennt die genaue Masse des Axions. Man muss den Hohlraum deshalb Schritt für Schritt durchstimmen, wie beim Suchen eines Radiosenders auf einer sehr langen Skala. Bisher ist nur ein kleiner Teil des möglichen Bereichs abgesucht. Ein Nicht-Fund schließt jeweils nur ein Stück Skala aus, nicht die Idee als Ganzes.

Warum das Wort in Tech-Nachrichten auftaucht

Die bekanntesten Experimente heißen ADMX in den USA sowie MADMAX und BabyIAXO in Deutschland. Letztere entstehen am Forschungszentrum DESY in Hamburg. Meldungen dazu lauten meist nicht Axion gefunden, sondern weiterer Massebereich ausgeschlossen. Das klingt unspektakulär, ist aber der normale Fortschritt in diesem Feld.

Für Technikleser ist ein zweiter Punkt relevant. Axionsuche treibt Messtechnik voran, die auch anderswo gebraucht wird: extrem rauscharme Verstärker, starke Magnete, präzise Kühltechnik. Diese Bauteile überschneiden sich stark mit dem, was Quantencomputer benötigen.

Ein häufiger Irrtum: Das Axion hat nichts mit dem Higgs-Teilchen zu tun, auch wenn beide lange gesucht wurden. Das Higgs ist seit 2012 nachgewiesen und erklärt, warum Teilchen Masse haben. Verwirrend ist außerdem, dass Firmen und Produkte den Namen Axion tragen, etwa Chips oder Software. Diese Namen sind reines Marketing und haben mit dem Teilchen nichts gemeinsam.