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TEILCHENPHYSIK
Bosenova um ein Schwarzes Loch?
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Technischen Universität Wien
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21. Juni 2012

Wiener Physiker glauben einen Weg gefunden zu haben, wie sich ohne riesige Teilchenbeschleuniger neue Elementarteilchen entdecken lassen könnten. Unkompliziert ist das Verfahren allerdings nicht: Die Forscher benötigen ein Schwarzes Loch, einen möglichst empfindlichen Gravitationswellendetektor sowie eine Wolke von hypothetischen Axionen, die in einer Bosenova kollabieren.

Schwarzes Loch

So stellt sich ein Künstler Axionen rund um ein Schwarzes Loch vor. Bild: F. Aigner / TU Wien

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: Wissenschaftler der Technischen Universität Wien haben eine Methode ersonnen, mit der man die Existenz von hypothetischen "Axionen" nachweisen könnte. Diese könnten sich nämlich um ein Schwarzes Loch sammeln und der Schwerkraftfalle Energie entziehen. Dabei wiederum könnten Gravitationswellen entstehen, die sich messen lassen müssten.

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", erläutert Daniel Grumiller von der TU Wien. Gemeinsam mit Gabriela Mocanu hat er am Institut für Theoretische Physik berechnet, wie man Axionen theoretisch nachweisen können müsste.

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, deren Untersuchung auf einer Arbeit von Kollegen aus den USA und aus Russland basiert, 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.

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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.

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", so Grumiller. Das Spannende daran: Ein solcher Kollaps, eine sogenannte "Bosenova", könnte man messen: Dieses Ereignis würde Raum und Zeit zum Schwingen bringen und Gravitationswellen ausstrahlen.

Detektoren für solche Gravitationswellen sind bereits in Betrieb, sind aber bislang noch nicht empfindlich genug, um Gravitationswellen auch tatsächlich nachweisen zu können. Auf der ganzen Welt arbeitet man gegenwärtig daran, die vorhandenen Detektoren entsprechend aufzurüsten, so dass bald die notwendige Empfindlichkeit erreicht sein könnte. Die Berechnungen von Grumiller und Mocanu, die in einem Artikel in der Fachzeitschrift Physical Review D beschrieben sind, zeigen, dass diese Gravitationswellenexperimente nicht nur neue Information über Astronomie, sondern eventuell auch über neue Teilchensorten liefern könnten.

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siehe auch
Schwarze Löcher: Dunkelmaterie-Blasen in Galaxienzentren? - 20. Juli 2006
Axionen: Auf der Suche nach Relikten des Urknalls - 19. April 2005
Links im WWW
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org
Technische Universität Wien
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