Bisher unentdeckte Partikel könnten entdeckt werden, wenn sie sich um Schwarze Löcher ansammeln, sagen Wissenschaftler der Technischen Universität Wien.
Das Finden neuer Teilchen erfordert normalerweise hohe Energien - deshalb wurden riesige Beschleuniger gebaut, die Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigen können. Es gibt aber auch andere kreative Wege, neue Teilchen zu finden: An der Technischen Universität Wien stellten Wissenschaftler eine Methode vor, um die Existenz hypothetischer „Axionen“ zu beweisen. Diese Axionen könnten sich um ein Schwarzes Loch ansammeln und ihm Energie entziehen. Dieser Prozess könnte Gravitationswellen aussenden, die dann gemessen werden könnten.
Künstlerische Darstellung eines Schwarzen Lochs, umgeben von Axionen.
Axionen sind hypothetische Teilchen mit einer sehr geringen Masse. Nach Einstein steht die Masse in direktem Zusammenhang mit der Energie, und daher wird nur sehr wenig Energie benötigt, um Axionen zu erzeugen. „Das Vorhandensein von Axionen ist nicht belegt, wird aber als sehr wahrscheinlich angesehen“, sagt Daniel Grumiller. Gemeinsam mit Gabriela Mocanu berechnete er an der Technischen Universität Wien (Institut für Theoretische Physik), wie Axionen detektiert werden könnten.
Astronomisch große Teilchen
In der Quantenphysik wird jedes Teilchen als Welle beschrieben. Die Wellenlänge entspricht der Energie des Teilchens. Schwere Teilchen haben kleine Wellenlängen, aber die energiearmen Axionen können Wellenlängen von vielen Kilometern haben. Die Ergebnisse von Grumiller und Mocanu, die auf Arbeiten von Asmina Arvanitaki und Sergei Dubovsky (USA / Russland) basieren, zeigen, dass Axionen ein schwarzes Loch umkreisen können, ähnlich wie Elektronen, die den Atomkern umkreisen. Anstelle der elektromagnetischen Kraft, die die Elektronen und den Kern zusammenhält, ist es die Gravitationskraft, die zwischen den Achsen und dem Schwarzen Loch wirkt.
Gabriela Mocanu und Daniel Grumiller
Die Boson-Wolke
Es gibt jedoch einen sehr wichtigen Unterschied zwischen Elektronen in einem Atom und Axionen um ein Schwarzes Loch: Elektronen sind Fermionen - was bedeutet, dass zwei von ihnen niemals im selben Zustand sein können. Axionen hingegen sind Bosonen, von denen viele gleichzeitig den gleichen Quantenzustand einnehmen können. Sie können eine „Bosonenwolke“ erzeugen, die das Schwarze Loch umgibt. Diese Wolke saugt kontinuierlich Energie aus dem Schwarzen Loch und die Anzahl der Achsen in der Wolke steigt an.
Plötzlicher Zusammenbruch
Eine solche Wolke ist nicht unbedingt stabil. „Wie ein loser Sandhaufen, der plötzlich rutschen kann, ausgelöst durch ein einziges zusätzliches Sandkorn, kann diese Bosonenwolke plötzlich zusammenbrechen“, sagt Daniel Grumiller. Das Aufregende an einem solchen Zusammenbruch ist, dass diese „Bose-Nova“ gemessen werden konnte. Dieses Ereignis würde Raum und Zeit zum Schwingen bringen und Gravitationswellen aussenden. Es wurden bereits Detektoren für Gravitationswellen entwickelt, von denen 2016 erwartet wird, dass sie eine Genauigkeit erreichen, mit der Gravitationswellen eindeutig erfasst werden sollten. Die neuen Berechnungen in Wien zeigen, dass diese Gravitationswellen nicht nur neue Erkenntnisse über die Astronomie liefern, sondern uns auch mehr über neue Arten von Partikeln erzählen können.
Neuauflage mit freundlicher Genehmigung der Technischen Universität Wien.