Schwarze Löcher als Teilchendetektoren

Artist's impression of a black hole, surrounded by axions. Quelle: F. Aigner / TU Wien (idw)

Wer neue Teilchen finden will, braucht normalerweise viel Energie – deshalb baut man Beschleuniger, in denen Teilchen fast mit Lichtgeschwindigkeit zur Kollision gebracht werden. Mit der nötigen Kreativität könnte es allerdings auch anders klappen: An der TU Wien wurde nun eine Methode vorgestellt, wie man die Existenz von hypothetischen „Axionen“ nachweisen könnte. Rund um ein schwarzes Loch könnten sich solche Axionen versammeln und ihm Energie entziehen – und dieser Vorgang könnte Gravitationswellen aussenden, die man messen könnte.

Axionen sind hypothetische Elementarteilchen mit sehr geringer Masse. Weil sich nach Einstein die Masse direkt in Energie umrechnen lässt, wird auch nicht viel Energie benötigt, um Axionen entstehen zu lassen. „Die Existenz von Axionen ist nicht bewiesen, gilt aber als durchaus wahrscheinlich“, sagt Daniel Grumiller. Gemeinsam mit Gabriela Mocanu berechnete er am Institut für Theoretische Physik, wie man Axionen nachweisen könnte.

Astronomisch große Elementarteilchen

Die Quantenphysik sagt, dass jedes Teilchen eine Welle ist. Die Wellenlänge hängt von der Energie des Teilchens ab. Schwere Teilchen haben winzig kleine Wellenlängen, doch die niederenergetischen Axionen könnten durchaus Wellenlängen von vielen Kilometern Länge haben. Die Ergebnisse von Grumiller und Mocanu, basierend auf einer Arbeit von Asmina Arvanitaki und Sergei Dubovsky (USA/Russland), zeigen, dass sich die Axionen rund um ein schwarzes Loch anlagern könnten, ähnlich wie Elektronen rund um einen Atomkern. Anstelle der elektromagnetischen Kraft, die Elektronen und Atomkern aneinander bindet, wirkt zwischen Axionen und dem schwarzen Loch die Gravitation.

Die Bosonen-Wolke

Einen ganz entscheidenden Unterschied gibt es allerdings zwischen den Elektronen im Atom und den Axionen rund um das schwarze Loch: Elektronen gehören zur Gruppe der Fermionen, das bedeutet, dass sich niemals zwei von ihnen im selben Zustand befinden können. Axionen hingegen sind Bosonen – daher können sich viele von ihnen gleichzeitig im selben Quanten-Zustand befinden. Als „Bosonen-Wolke“ umgeben sie gemeinsam das schwarze Loch. Die Bosonen-Wolke entzieht dem schwarzen Loch kontinuierlich Energie, die Teilchenzahl in der Wolke nimmt laufend zu.

Plötzlicher Kollaps

Diese Bosonen-Wolke muss allerdings nicht stabil sein: „Ähnlich wie ein locker aufgehäufter Sandhaufen, der plötzlich abrutschen kann, wenn man noch ein Sandkörnchen hinzugibt, kann diese Bose-Wolke plötzlich kollabieren“, erklärt Daniel Grumiller. Das Spannende daran: Ein solcher Kollaps, eine sogenannte „Bose-Nova“ könnte man messen: Dieses Ereignis würde Raum und Zeit zum schwingen bringen und Gravitations-Wellen ausstrahlen. Detektoren für Gravitationswellen sind bereits in Betrieb, werden aber erst ab ca. 2016 sensitiv genug sein um Gravitationswellen einwandfrei nachweisen zu können. Die neuen Berechnungen zeigen, dass diese Gravitationswellenexperimenten nicht nur neue Information über Astronomie sondern auch über neue Teilchensorten liefern könnten.

Quelle: Technische Universität Wien (idw)