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Das Axion-Problem.

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Annalen der Physik. 7. Folge, Rand 42, Heft 4-6, 1985, S. 476-484
J. A. Barth, Leipzig
Das Axion-Problem
Von K. LANIUS
Akedemie der Wissenschaften der DDR, Institut, fur Hochenergiephysik, Zeuthen, DDR
Iii Frsund.uchaft und e w e r Verbu.ndenheit rneinein Lelirer Robert Ronzpe
t t i m 80. G e b u r t s t q yewidrttet
I n h e l t s i i b e r s i c h t . Verbunden mit den1 Mechanismus der spontanen Symmetriebrcchung
mird das Auftreten skelarer Teilchen durch die Theorie vorhergesagt. I n die QCD wurde ein derartiges Teilchen, das Standard-Axion, zur Verhinderung der CP-Verletzung eingefuhrt. Eine Zusammenfassung der experimentellen Situation bei der Axion-Suche wird gegeben. Bisher wurden
keine Hinweise auf die Existenz der Standard-Axionen gefunden. Astrophysikalische und kosmologische Randbedingungen zur Bestimmung der Eigenschaften der Axionen werden angegeben, nnd
die Moglichkeit, daO die ,,unsichtbarcn" Axionen znr Dunkelmaterie im Universum beitragen, wird
betrachtet.
The Axion-Problem
-4 b s t r a c t. Accompanying the spontaneous breakdown of symmetries scelarc states have boen
predicted. Among them the standard axion is invented to prevent CP violation in QCD. A review
on the experimental search for axions is presented. So far there is no evidence of the predicted
standard axion. Astrophysical and cosmological constraints on axions are given and the possibility
that ,,invisible" axions comprise the dark matter of the universe is considered.
1. Einleitung
l m Laufe der Eritwicklung der Elenientarteilchenphysik wrirden imnier wieder Versuche unternonimen, die beobachteten Erscheinungen in1 subatomaren Rereich durch
eine widerspruchsfreie Theorie zu beschreiben. Ziel soleher Beniuhungen ist die Formulierung einer einheitlichen Theorie, die die sehwitche, die elektromagnetische und die
starke Wechselwirkung umfaOt. Die Hoffnung, diese Aufgabe iin Rahmen einer Eichfeldtheorie zu losen, wurde durch die Erfolge der Quant,enelekt>rodynamik(QED)
stimuliert.
Von grolier Bedeutung fur die Theorien der Elementarteilchen erwiesen sich innere
Symmetrien und die dainit verbundenen Erhaltungssitze. D i e s Symnietrien und ihre
Verletzungen kommen in Eigenschaften der elementaren Teilchen und ihren fundamentalen Wechselwirkungen zuxn Ausdruek. Die Interpretation der inneren Syminetrien
81s lokale Eichinvarianzen des Raum-Zeit-Kont.inuums fiihrte in den,letzten Jahren zu
bemerkenswerten Portschritten. Mittels einer Eichfeldtheorie gelang die einheitliche
%usani~nenfassungder elektroinagiietischen iind der schwaclien Wechselwirkungen. Um
auch die Theorie der starken Wechselwirkung als Eichfeldtheorie zu forinulieren, entstand die Quantenchroniodynamik (&C.D),die die eichinvariante Kopplring von Gluonfeldern an Quarkfelder beschreibt.
Die Eichinvariani ist ein dynainisches 1nva.rianzprinziy. Bei dcr Andwnng dynainischer C:riifi:w, et wa von Potentialen, blcihen die 13r:wcg1ingsgleichiin~ciiin ihrer Form
K. LANIUS,Dae Axion-Problem
477
erhaltcn. So ist in der &ED die Lagrange-Dichte invariant gegeniiber der lokalen unitaren Eichtransformation
U ( 1 )= e k @ ) .
(1)
(1st die Phase y unabhiingig vom Raum-Zeit-Punkt, so wird U(1) als globale Eichtransformation bezeichnet.) Die Eichinvarianz, als Ausdruck der Ladungserhaltung, ist ein
grundlegendes Prinzip der elektromagnetischen Wechselwirkung, das die Existenz eines
masselosen Eichfeldes zur Folge hat. Ihm entspricht das masselose Eichboson, das Photon, ein Vektorteilchen.
Die Eichgruppe der einheitlichen elektromagnetischen und schwachen Wechselwirkung ist die unitiire Gruppe XU(2)SU(1). Das Eichfeld der U(1)-Gruppe ist ein elektrisch neutrales Feld, wahrend bezuglich der lokalen Eichgcuppe S U (2) ein dreikomponentiges Eichfeld eingefiihrt wird. Zwei dieser Komponenten haben eine elektrische Ladung. Die elektroschwache Theorie ist also durch vier Eichbosonen mit dem Spin 1 beschreibbar .
I n der Eichfeldtheorie der schwachen Wechselwirkung sind die drei Vcktorbosonen
des Eichfeldes masselos, da ein Massenterm in der Lagrange-Dichte nicht auftritt. Kurzlich gelang im CERN der experimentelle Nachweis der massiven Vektorbosonen des
schwachen Eichfeldes [ 11. Die naheliegende Zuordnung der drei Komponenten des Eichfeldes zu den W + , W- und Zoist daher nicht unmittelbar moglich.
Um massive Vektorbosonen zu erhalten, mulj die SU(2)-Eichsymmetrie gebrochen
werden. Wiirde man die Brechung der Eichinvarianz durch die Einfugung eines Massenterms in die Lagrange-Dichte erreichen, so ist die entsprechende Theorie im allgemeinen
nicht mehr renormierbar. Uin die Renormierbarkeit nicht in R a g e zu stellen, ist es
zweckmaBig, von einer explizit eiqhinvarianten Lagrange-Dichte auszugehen.
Die Eichinvarianz kann jedoch gebrochen werden, wenn wenigstens einige aus der
Lagrange-Dichte berechenbare Zustande nicht mehr eichinvariant sind. Diese Moglichkeit besteht fur die Grundzustande (Vakuumzustande) des Systems. Fur solche, die lokale Eichinvarianz brechende Vakuumzustande ist die Einfiihrung neuer Teilchen, sogenannter Higgs-Bosonen, notwendig. Dieses Verfahren bezeichnet man als spontane
Symnietriebrechung oder Higgs-Mechanismus.
Das dsinit postnlierte neue physikalische skalare Teilchen, das Higgs-Roson, lie13
sich niit keineni der bisher beobachteten Objekte eindeutig identifizieren. Auch gibt es
iiber seine Masse keine zuverlassigen Vorhersagen.
Die starke Wechselwirkung laBt sich gleichfalls im Rahmen einer Eichfeldtheorie,
der QCD, beschreiben. Die entsprechende Eichgruppe ist die unitiire Gruppe XU( 3),
die auf die jeweils drci Farbzustande der Quarks wirkt. Die XU(3)-Farbgruppe ist durch
die starke Wechselwirkung nicht gebrochen, da freie Quarks bzw. ,,farbige" Hadronen
nicht beobachtet wurden. Da die SU(3)-Farbinvarianz exakt erfullt ist, wird ein achtkomponentiges masseloses Vektorfeld als lokales Eichfeld eingefiihrt. Die Quanten des
Eichfeldes, die Gluonen, kommen in acht Farbladungsvarianten vor. Sie konnen ebensowenig wie die Quarks als freie Teilchen in Erscheinung treten, da alle Hadronen nur
in Kombinationen zu Farbsinguletts auftreten.
Ilas SU(3)@ S U ( 2 )@ U(1)-Standard-Modell fuhrt also zii folgenden experiinentell
nachzuweisknden Teilchen :
Spin 1/2-Fermionen :
):(
Leptonen:
Quarks:
r;) ("t)
(i)(I) (L)
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478
Spin 1-Eichbosonen:
Elektroschwache Wechselwirkung: W +, Zo, y
Starke Wechselwirkung :
8 Gluonen
Spin 0-Bosonen :
Mindestens ein neut rales Higgs-Boson HO.
Nachdem kiirzlich auf der XXII. Internationalen Konferenz iiber Hochenergiephysik
in Leipzig auch uber den Nachweis des t-Quarks berichtet wurde [el, ist neben der direkten Beobachtung des vr nur die Auffindung des Higgs-Bosons ein offenes Problem.
Wahrend das niinimale S U ( 3 )OSU(2)0 U (1)-Mode11 eiu neutrales Spin 0-HiggsBoson fordert, fiihrt nahezu jede Erweiterung des Modells auf die Existenz zusatzlicher
neutraler oder geladener Higgs-Bosonen.
Die fundamentalen Wechselwirkungen verlaufen uber den Austausch der Eichbosonen (Abb. l a ) , wahrend die Kopplung der nach wie vor mysteriosen Higgs-Bosonen in1
Standard-Mode11zu massiven Eichbosonen und massiven Fermionen fiihrt. Uas neutrale
Higgs-Boson koppelt sowohl an die Ferinionen als auch an die massiven Vektorbosonen
(Abb. l b ) .
Wir kennen drei Quark- und Leptonen-Faniilien mit sechs Quark-Flavours. Das
Standard-Mode11beantwortet jedoch nicht die Frage, waruni es gerade sechs sind. Auch
die Frage, warum die Massen der Fermionen zwischen der wahrscheinlich sehr kleinen
Neutrinomasse ( M 20 eV/c2) und der Masse des t-Quarks ( M40 GeV/c2) variieren, bleibt
offen.
I
a
b
Abb. 1. a) In den Eichfeldtheorien verliiuft die Wechselwirkung zwischen Fermionen uber den Austausch der Eichbosonen. b) und c) Higgs-Bosonen koppeln im Standardmodell an massive Quarks
iind Leptonen bzw. an Eichbosonen
2. Das dxion
Allgeriieine Prinzipien einer relat ivistischen Feldtheorie fordern eine Invarianz gegeniiber der kombinierten Transformation CPT. .411e bisherigen Experirnente bestatigen
die CPT-Erhaltung. Seit, dein Jahre 1951; wissen wir [3], da13 in schwachen Wechselwirkungen Paritat P und Ladungskonjugation C nicht erhalten bleiben. Der einzige
experimentelle Hinweis auf eine CP-Verletzung wurde 1064 beini Zerfall yon KO-Mesonen beobachtet [4]. I n allen untersuchten Prozessen der starken Wechselwirkung
wurde die CP-Erhaltung verifiziert. Mitte der 70er Jahre zeigte t'Hooft [5], dafJ das Vakiiuin der QCD cine nichttriviale Strukt iir besitzt, die die Existenz eines CY-verletzenden
K. LANIKJS,
Das Axion-Problem
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Terms in der QCD-Lagrange-Dichte bedingt. Eine von vielen Theoretikern bevorzugte
Antwort auf die Frage, warum die starke Wechselwirkung dennoch die CP-Erhhaltung
respektiert, fordert die Existenz eines pseudoskalaren Teilchens, des Axions, das eine
Anzahl bemerkenswerter Eigenschaften besitzt [61.
Der T- bzw. CP-verletzende Term in der QCD-Lagrange-Dichte wird durch eine
von Null verschiedene Phase 0 reprasentiert. Eine der Konsequenzen der Verletzung
der Zeitumkehr ware das Auftreten eines nicht verschwindenden elektrischen Dipolmoments des Neutrons [ 71. Aus den bisherigen Versuchen, das elektrische Dipolmoinent
des Neutrons zu messen, folgt 1
01 < 2 .
[I]. Da dieser Phasenwert sehr klein ist,
liegt die Prage nahe, ob diese GroQe nicht in allen Ordnungen der Storungstheorie verschwindet. Ein mathematisch einfacher Weg, dies zu erreichen, besteht in der Post dierung einer globalen Eichsymmetrie U(I),, mit deren Hilfe entstehende Phasen 0 durch
Rotation eliminiert werden konnen.
Peccei und Quinn [9] fiihrten eine solche globale U(l),-Symmetrie fur die gesamte
Lagrange-Dichte (QCD elektroschwache Theorie) ein.
Wie von Weinberg und Wilczek gezeigt [61, hat dieser Mechanisnius eine wesentliche
physikalische Konsequenz - das Auftreten eines neuen pseudoskalaren Teilchens, des
Axions a.
Die charakteristischen Eigenschaften des Axions, seine Kopplung gall an die Quarks
und Leptonen und seine Masse ma,sind durch einen Grenzwert V der Energie bzw. Masse
bestiiiimt, bei dem die spontane Brechung der globalen U (l),-Symmetrie in Erscheinung
tritt.
Die Kopplung des pseudoskalaren Axions an cin Ferniion f ist niiherungsweise durch
folgende Beziehung gegeben :
+
Nichtstorungstheoretische starke Effekte brechen die globale U (l),-Syininetrie und
fiihren zu einer kleinen Masse des Axions, die in einer Reihe von Modellen groBenordnungsmaflig durch folgende Beziehung gegeben ist :
bezeichnet die Pion-Masse und f II die Pion-Zerfallskonstante.
Im urspriinglichen Peccei-Quinn-Model119, 101 wurde die Skala der Symmetriebrechung der schwachen Wechselwirkring zu V M 250 GeV angenommen. Allgenieinere
Modelle lassen fur V auch Werte weit oberhalb 250 GeV zii. Das daraus resultierende
Axion ist wegen der Beziehung (3) aufierordentlich leicht und nur sehr schwach mit den
Leptonen und Quarks gekoppelt. Es ist unter Laborbedingungen in konventioneilen
Experiinenten unbeobachtbar. Urn uber die Eigenschaften dieses unsichtbaren Axions
Auskiinfte zu erhalten, kann man jedoch astrophysikalische Daten zu Rate ziehen.
Dem Wert V M 250 GeV der Skala der Syrnmetriebrechung entspricht das Standardaxion. Seine Kopplungsstarke an das Nukleon 1aBt sich durch die Pion-Nukleon-Kopplungsstarke ausdriicken [ 101
In,
(4)
Daraus folgt, dab das Erzeugungsverhaltnis von Standard-Axionen in eineni ProtonBeam Dunip (Strah1ungsstopper)-Experimentgegeniiber Pionen etwa lo-' betragt.
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Die Berechnungen der Masse und der Lebensdauer des Standard-Axions [6, 111 ergeben
+
YO(X X - I ) [keV]
(5)
wobei X ein positiver freier Parameter ist. Da X
X-l 2 2 ist, e g i b t sich als Minimalwert der Masse des Standard-Axions % 180 keV. Bei der Berechnung der effektiven
Axion-Nukleon-Kopplung [111 wurden die Beitrage der u-,d- und .+Quarks beriicksichtigt und der Strom, der an die Axionen koppelt, in einen isoskalaren Anteil und einen
Isovektor-Anteil parametrisiert. Diese Aufspaltung entspricht,im Rahnien der Stromalgebra einer Mischung mit den physikalischen pseudoskalaren Teilchen Pion und qMeson.
1st die Masse des Axions kleiner als zwei Elektronenmassen, so bleiben als einzige
Zerfallskanale a + y y und a --t vp+ Die Lebensdauer fur den elektroinagnetischen Zerfall wird
100 keV
~(a-tyy=
) 0,71
ma w
+
t ( a + viyJ ist nur endlich, wenn die Neutrinomasse nicht verschwindet. Der ininimalen
Masse des Standard-Axions entspricht eine maxiniale Lebensdauer z(a --f y y ) von
w 40 ins.
1st die Masse des Standard-Axions grol3er als 2m,, so ist der Zerfall in ein e+e--Paar
erlaubt. Bei einer Masse von etwa 2 MeV wird [lo] t ( a + e+c-) FZ
s.
3. Experimente zur Suche des Standard-Bxions
Ein Existenznachweis des Axions wiirde die Idee der spontanen Syinnietriebrechung
durch Bosonen bestatigen. I m Gegensatz zum skalaren Higgs-Boson der WeinbergSalam-Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung sollte das Standard-Axion, dessen
Masse groWenordnungsmaSig nur 100 keV betriigt, auch in niederenergetischen Experiinenten nachweisbar sein.
Die Erzeugung von Axionen wurde in Zweikorper-Zerfallen schwerer Mesonen lintersucht. Beim Zerfall eines ruhenden Bosons .M in ein Teilchen M' und ein neutrales
Axion a ( M --t H'a) miiWte sich ein nionoenergetisches Maximum ini Energiespektruni
der Zerfallsteilchen zeigen.
11nK i- --f nta-Zerfall sollte sich das Standard-ilxion durch das Auftreten monoenergetischer Pionen bci etwa 120 MeV markieren. Dieser ProzeJ3 wurde von Asano et al.
[13] irn KEK gesucht. Sic fanden eine obere Grenze fiir das Verzweigungsverhaltnis beziiglich aller Zerfallskanaile B(K++ n+a) 3,s .
Fiir ein isoskalares StandardAxion n<iBt,e inan einen Wert des VerzweigungsverhLltnisses von >
iind fur ein
isorektorielles Axion einen Wert von >2 . 10-8 erwarten. Durch dieses Experiment
wird die Existenz eines reinen isoskalaren Axions ausgeschlossen [ 111.
Ein weitgehend modellunabhiingiger Test, der keine Annahmeri etwa iiber das Verhiiltnis isoskalarer zu isovektorieller Kopplung erfordert, ist die Untersuchung der
direkten Kopplring der Axionen an die schweren Quarks c und b. Das Standard-Modell
[ti] sagt fur die Verzweigungsverhaltnisse beinl Zerfall der schweren Mesonen J / y und
Y i n eiri Photon nnd ein Axion relativ zum Miionen-Zerfall dieser Teilchen folgende Verh d t nissc voraiis :
<
li. LANIUS,Das Axion-Problem
'
481
Hierin sind G , die Ferniikonstante, cy die Feinstrukturkonstante und m, hzw. mb die
Massen des c- und b-Quarks.
Mittels des Kristall-Ball-Detektors beim SLAC versuchten Edwards e t al. 1141, den
Zerfall J l y +ya durch das Auftreten einzelner Photonen der Energie Ey = (M2,,, - m,")/
2iM,,, nachzuweisen. Ihr Resultat ergab einen oberen Grenzwert B ( J / y+ y a ) 5
1.4.
woraus sich nach G1. (7), mit den bekannten Werten von G,, a, m, und
B(JJy,--f ,u+,u-)= 0,07 f 0,01, als obere Grenze fiir X bei 90% Vertrauensbereich der
Wert X 5 0,6 ergibt.
Eine analoge Reaktion, der Zerfall des Y-Mesons in ein monoenergetisches y-Quant
und ein neutrales Axion, wurde an den Elektronenbeschleunigern im DESY [15] und
an der Cornell-University [ 161 gesucht. Als unteren Grenzwert des Verzweigungsverhaltnisses ergaben die Messungen B( Y(1.s) + ya) 2 3,5
Aus GI. (8) erhalt man daniit
als unteren Grenzwert von X bei einem 90%igen Vertrauensbereich X 2 0,7.
Wie man aus den G1. (7) und (8) sieht, ist das Produkt der beiden Verhiiltnisse unabhangig vom freien Parameter X des Peccei-Quinn-Modells. Der theoretisch erwartete
Wert des Produktes ist (16,8 f 6,5) .
wahrend aus den Messungen sich 1,6
ergibt, ein Wert, der deutlich unterhalb des Erwartungswertes liegt.
I n einer weiteren Gruppe von Experinienten wurde der Versuch unternonimen, das
Standard-Axion uber seinen charakteristischen Zerfall zu identifizieren. Der Zerfall des
-4xions in ein Elektron-Positron-Paar setzt voraus, daIJ m, > 2rn, ist. Die in einem weiten Bereich negativen Resultate entsprechender Experimente [ 171 wiesen auf die Notwendigkeit hin, nach dem a -+ 2y-Zerfall zu suchen.
I n einem Proton-Beam Dump-Experiment sollte nach G1. (4)auf lo7 Pionen ein
Axion erzeugt werden. I n Experimenten dieser Art sucht man auBerhalb der sehr gut
abgeschirmten Axion-Quelle nach dem Zerfall des neutralen Axions in zwei y-Quanten
bzw. den daraus resultierenden e-e+-Paaren.
Jacques et al. [18] nutzten als Detektor eine Blasenkammer. Sie erhielten folgenden
Grenzwert fur das Verhiiltnis
I
a
+ ...) < 10-8,
+ ...) -
o(g2v-t a
a(pN -+ no
also eine GroBenordnung unterhalb des erwarteten Wertes.
Faissner e t al. [ l Y ] suchten mit einer optischen Funkenkammer am Beam Dump
des 590 heV-Protonenstrahls im Schweizerischen Institut fur Nuklearforschung (SIN)
nach Photonen. Sie fanden zwolf 2y-Ereignisse unter einem Winkel 5 7 " zur Beam
Dump-Richtung, die aus einem 2 rn langen Zerfallsbereich kamen, bei einem erwarteten
Untergrund von 2,3 Ereignissen. Interpretiert man diese Ereignisse als Zerfalle des
Standard-Axions in 2y-Quanten, so erhalt man unter der Annahme einer Mischung isovektorieller und isoskalarer Kopplungen die Werte [ 191
m, = 220
& 20 keV,
z, = 15
6 ms,
X
= 0,40f 0,05
fur die Masse, die Lebensdauer bzw. den freien Parbnieter des Standard-Axions.
Mit einer wesentlich verbesserten Apparatur wird gegenwiirtig von einer AachenBerlin-Zeuthen-SIN-Kollaboration
am 590 MeV-Protonen-Beam Dump dieses Experiment iiberpriift. Die neue Anlage gestattet, die invariante Masse der y-Paare mit einer
Genauigkeit von etwa 15% direkt zu bestimmen und die Zahl der 2y-Ereignisse um etwa
eine GroBenordnung zu erhohen [20].
I n weiteren Experimenten wurde die Erzeugung von Axionen in Bestrahlungsprozessen von Elektronen untersucht. Auch in diesen Beam Dump-Exper?menten mit
Elektronenstrahlen im SLAG [lo, 211 und im BNL [22] wurden keine Hinweise auf
Axionen gefunden.
Ann. Physik Leipzig 42 (1985) 4-6
482
Eine weitere Gruppe von Experimenten wurde an Reaktoren durchgefiihrt. Beini
Zerfall angeregter Kerne sollten Axionen in grol3er Zahl entstehen. Konkurrierender
Prozefi der Emission von Axionen durch angeregte Kerrie sind y-oberglnge. Das Verabgeschatzt [101.
haltnis der Zerfallsbreiten beider Prozesse wurde zu w
Ein typisches Reaktorexperiment ist das von Zehnder et al. [23] am 2800 MWLeichtwasserreaktor in Gosgen/Schweiz. Dabei wurde nach folgenden ubergangen angeregter Kernzustande gesucht :
+ 478 keV
a)
*Li7 + Li7 -1a
b)
c)
*Ysl --f YS1 a
555 keV
*Ba1373 Bals7 + Q + 662 keV
d)
*NbS7--f NbS7
+ +
+
+ a + 743 keV
+ a + 2,23MeV.
p-td
n
e)
Die aus den1 Zerfall des Axions kommenden 2y-Quanten wurden in Koinzidenz gesucht.
Das in Abb. 2 gezeigte Suiiimenspektrum der beiden Koinzidenzzahler zeigt bei den
entsprechenden Energien der Reaktionen a) -e) keine scharfen Linien. Die gemessenen
Zahlraten liegen unter den Erwartungswerten des Standard-Modells. I n einem analogen
Experiment am Impulsreaktor in Dubna [23] wurde in den Reaktionen a) und e) mit verbesserter Statistik nach Axionen gesucht. Die Messungen schlieBen ein Standard-Axion
mit m, < 2m, aus.
Eine kritische Wertung der unterschiedlichen Experimente zum Nachweis des
Standard-Axions fuhrt zu dem SchluB, daB dieses Teilchen nicht existiert. Das gilt auch
fiir eine Reihe von Modifikationen des Standardmodells [241 bei Beibehaltung des
Skalenfaktors V m 250 GeV fur die spontane Brechung der U (l),-Symmetrie [25].
Modelle, die davon ausgehen, daW V >> 250 GeV ist [26], befinden sich dagegen nicht
ini Widerspruch zu den genannten experinientellen Ergebnissen.
r
I
Sum
I
-0
-4bb. 2. Das in den Natrium-Jodid-Detektoren gemessene Energiespektrum in den beiden Koinzidenzzahlern. Sein Verlauf zeigt bei den Reaktionen a) -e) bei den entsprechenden Energien keine
scharfen Linien
4. Unsiehtbare Axionen
Nach den Gleichungen (2) und (3) sind die Kopplung des Axions an Leptonen und
Quarks bzw. seine Masse dem Skalenfaktor V umgekehrt proportional. 1st V 2 los GeV,
SO sind dic Axionen extrem leicht und nur aulierordentlich schwsch an Fermionen gelioppelt. Da nach GI. (6) die Lebensdauer des Axions oc 1n-5 ist, sind diese Teilchen auch
sehr langlebig. Fur lo9 < V < 1015 GeV ergibt sich loz7< t(a -+ y y ) < 1051Jahre.
R.I ~ ~ S I L T Das
S , Arion-Problem
483
Aus astrophysikalischen Uberlegungen [27] folgt ein unterer Grenzwert fur V .
Axionen sollten durch Photoerzeugung iin Inneren von Sternen entstehen und beim
Verlassen der Sterne zu einer Abkuhlung fuhren. Ein Vergleich mit dem beobachteten
Energieverlust von Sternen fiihrt zu der Bedingung V 2 lo9 GeV.
Wenn sehr leichte Axionen existieren, so haben sie interessante kosinologische Kongequenzen. Abhangig von der Skala V der spontanen Synimetriebrechung konnen sie
einen signifikanten Beitrag zur Massendichte des Universums leisten [281.
Aus astrophysikalischen Beobachtungen wissen wir, da13 der uberwiegende Teil der
Massendichte des beobachtbaren Universums Dunkelmaterie ist. Die Dichte der Baryonen el, betragt nur etwa 0,l-0,Ol der Dichte ec eines euklidischen Kosmos. Galaxien
einschliel3lich der Zwerggalaxien besitzen, wie die Beobachtungen zeigen, groRe massive
Halos aus nicht sichtbaren Materieformen. Die Hypot hese des inflationaren Universums
fordert, daB die Dichte des Universums e w pc 1st. Niinmt man an, daO die fehlende
Materie durch massive Neutrinos gebildet wird und geht man von der bekannten Anzahl
und Geschwindigkeitsverteilung der kosniischen Neutrinos aus, so muaten sie eine Masse
m, 2 250 eV haben, uin auch in Zwerggalaxien massive Halos zu bilden. Ein Massenwert, der etwa eine GroBenordnung uber der Masse liegt, die fur M ec erforderlich ist.
Weitere Kandidaten fur die unsichtbare Masse iiri Universum sind die sehr leichten
Axionen. Diese Teilchen werden mit sehr kleinen Geschwindigkeiten erzeugt ( V / c =
vgl. [29]). Mittels kalter Axionen lassen sich die Eigenschaften der Galaxien, einschliel3lich der Zwerggalaxien, gut beschreiben [30].
Fur e FW ecergibt sich als oberer Grenzwert des Skalenfaktors V
10l2 GeV. Daraus
folgt ma 2
eV. Sikivie [29] hat kiirzlich darauf hingewiesen, da13 die unsichtbaren
Axionen unter Umstanden doch nachweisbar waren. Die Compton-Wellenlange der
Halo-Axionen 1, = m; liegt im Mikrowellenbereich. Er empfiehlt, die Axion-Kopplung
an Photonen im Mikrowellenbereich zu ihrein Nachweis zu nutzen. I n einem der Experimente wird vorgeschlagen, im Bereich galaktischer Halos mittels eines Hohlrauniresonators im Frequenzbereich v M ma zu suchen. Auch die Sonne ist nach den Modellvorhersagen eine Quelle unsichtbarer Axionen. I n statischen inhomogenen Magnetfeldern der Starke 8-10 Tesla sollten diese Teilchen in Photonen mit Frequenzen irn
Rontgen-Bereich konvertieren. Es bleibt also abzuwarten, ob die unsichtbaren Axionen
dieses Attribut weiterhin verdienen.
e
s
Litersturverzeichnis
[l] ARNISON,G. et al.: Phys. Lett. 122 B (1989) 103; 129 B (1983) 273; BANNER,
M. et d.:Phys.
Lett. 122 B (1983) 476; ARNISON,G . et d.:Phys. Lett. 126 B (19t)S) 398; BAGNANIA,M. et
al.: Phys. Lett. 129 B (1983) 130.
[ 2 ] BOCK,R. K.: Invited talk, XXIInd Int. Conf. on High Energy Physics, TApzig 1984;
RUBBIA,
C.: Invited talk, Int. Cod. ,,v- '84", Dortmund.
[3] LEE, T. D.; YANG,C. N.: Phys. Rev. D 104 (1956) 254.
141 CHRISTENSEN, J. H. et a!. : Phys. Rev. Lett. 18 (1964) 138.
[5] T'HOOFT,
G.: Phys. Rev. Lett. 37 (1976) 8.
[6] WEINBERG,
S.: Phys. Rev. Lett. 40 (1978) 993; WILCZEK,
F.: Phys. Rev. Lett. 40 (1978) 279.
[7] BALUNI, V.: Phys. Rev. D 19 (1979) '2227; CREWTHER,
R. J. et d.:Phys. Lett. 8 B(1979) 123;
91 B (1980) 487.
[8] ALTAREV,I. S. et al.: Phys. Lett. 102 B (1981) 13.
[9] PECCEI,
R. D.; QUINN, H. R.: Phys. Rev. Lett. 38 (1977) 1440; Phys. Rev. D 16 (1977) 1791.
1101 DONNELLY,
T. W. et al.: Phys. Rev. D 18 (1978) 1607.
[113 ANTONIADIS,I.; TRUONG,
TRANN.: Phys. Lett. 109 B (1982) 69.
[12] SKROCK,
R. E.; SUZUKI,M.: Phys. Lett. 114 B (1982) 183.
484
Ann. Physik Leipzig 42 (1986) 4-G
ASANO,Y. et al.: Phys. Lett. 107 B (1981) 159.
EDWARDS,
C. et al.: Phys. Rev. Lett. 48 (1982) 903.
NICZYPORUK,
B. e t al.: 2. Physik C 17 (1983) 197.
SJVERTZ,
M. et al.: Phys. Rev. D 26 (1982) 717; ALAM,M. S. et a].: Phys. Rev. D 27 (1983)
1665.
[17] CALAPRICE,
F. P. et al.: Phys. Rev. D 20 (1979) 2708; FAISSNER,
H. et al.: Phys. Lett. 96 B
(1980) 201.
[lS] JACQUES,
P. F. et al.: Phys. Rev. D 21 (1980) 1206.
[19] FAISSNER,
H. et al.: Phys. Rev. D 28 (1983) 1198.
[20] FAISSNER,
H. et al.: SIN-Beam Dump proposal 1983. FAISSSER,
H. et al., "Search for the 2ydecay of a light penetrating particle of the SIN beam dump", Paper submitted to the International Europhysics Conference on High Energy Physics, Bari July 1985. In diesem neucn
Experiment, in dem die Intensitilt der gestoppten Protoncn die des ersten Experimentes
wesentlich ubertraf, konnten wir kein 2y-Signal registrierrn.
[21] BJORKEN,
J. D. : FERMILAB-Conf.-84/33-T,Moriond Workshop 1984.
[d2] BECHIS,D. J. et a].: Phys. Rev. Lett. 42 (1979) 1611.
A. et 81.: Phys. Lett. 110 B (1982) 419; ANAJEW,W. D. et al.: Dnbna Preprint
[23] ZEHNDER,
PL-83-709 (1983).
N. G.: Phys. Lett. 114 B (1982) 39; Phys. Lett. 116 B (1982) 161;
[24] ANSELM,
A. A.; URALTSEV,
HOLDORN,
B.; PESKW,
M. E.: Nucl. Phys. B 208 (1982) 397.
[%I BLUMLEW,J. : Contr. Proc. XVth Spring Symposium on High Energy Physics. Georgenthal,
GDR 1984.
[%I KIM,J.: Phys. Rev. Lett. 43 (1979) 103; DINE, ill. et al.: Phys. Lett. 10PB (1981) 199;
WISE, M. et al.: Phys. Rev. Lett. 47 (1981) 403; NILLES,H. P.; RABY,S. : Nucl. Phys. B 196
(1982) 102.
["TI FUKUGITA,
M. et al. : Phys. Rev. D 86 (1982) 1840; ELLIS,J.; OLIVE, K. A. : Nncl. Phys. B 223
(1983) 265.
[28] PRESRILL,
J. et al.: Phys. Lett. 1%) B (1983) 127; ABBOT, L.; SIKIVIE,P.: Phys. I,ett. 1%)B
(1983) 133; DINE,M.; FISCHER,W.: Phys. Lett. 120 B (1983) 137.
P. : Phys. Rev. Lett. 51 (1983) 1416.
[29] SIKIVIE,
[SO] FARER,
6. M.:Proceedings of the Symposium ,,Large Scale Structtire of the Universe, Cosmology
and Fundamental Physics". (Ed. by G. Setti and L. van Hove) 1984, p. 187. IPSER,
J.;
SIKIVIE,P.: Phys. Rev. Lett. 60 (1983) 926; STECIZER,
3.W.; SHAFI,Q.: Phys. Rev. Lett. 50
(1983) 928; TURNER,
M. S. et ~ 1 . : Phys. Lett. 126 B (1983) 178; AYENIDEY,
M. et al.: Phys.
Lett. 126 B (1983) 178.
[13]
[14]
[15]
[lG]
Bei der Roditkt,ion eingegnngen am 20. November 1981.
Anschr. d. Verf.: Prof. Dr. KARLLANIUS
Akademie der Wissenschaften der DDK
Institut fur Hochencrgiephysik
DDR-1016 Zeuthen, Platanenallee 6
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