Axionenkosmologie
Das Axion ist ein hypothetisches Teilchen, das, falls es existiert, die seit langer Zeit bestehende Frage beantworten würde, warum QCD-Interaktionen (starke Wechselwirkung) die CP- und T-Symmetrie erhalten. Das Axion wäre grundlegend für einen Mechanismus der dynamischen Entwicklung der QCD in einen Zustand, in dem diese fundamentalen Symmetrien respektiert sind. Gleichzeitig ist das Axion ein hochinteressanter und experimentell zugänglicher Dunkle Materie-Kandidat. Dementsprechend ergibt es Sinn, die Rolle des Axions in der Kosmologie besser verstehen zu wollen und seine Masse dahingehend bestimmen zu wollen, dass sie das korrekte (Über-) Maß an dunkler Materie reproduziert.
Der PQ-Mechanismus addiert zum Lagrangian einen axionischen Term hinzu, sodass das Axion an den CP-verletzenden Term εµναβtr(GµνGαβ), mit Gαβ der gluonischen Feldstärke, koppelt. Bei den sehr hohen Temperaturen des frühen Universums führt dies zu einer zusatzlichen U(1)PQ-Symmetrie, die bei Temperaturen T < fPQ >109 GeV spontan gebrochen wird; das Axion ist das entsprechende Goldstone-Boson. In der Kosmologie wird das Axion durch den von sinkender Temperatur herbeigeführten Zerfall kosmischer Axionen-Strings produziert. Diese Strings wiederum sind topologische Defekte des Übergangs bei T ≈ fPQ. Bei viel niedrigeren Temperaturen im Bereich der QCD-Energie T ≈ ΛQCD = O(200 MeV) wird die PQ-Symmetry erneut gebrochen, diesmal anomal und ausgelöst durch Instanton-Effekte, was das Axion zu einem Pseudo-Goldstone-Boson mit einer winzigen Masse max ∼ 20µeV macht.
Unsere Forschung im Bereich der Axionen konzentriert sich auf die Untersuchung der genannten topologischen Objekte, ihrer Dynamik und ihres Zerfalls zu Axionen. Unter der Annahme, dass es sich bei dunkler Materie tatsächlich um Axionen handelt, konnten wir vor Kurzem bereits eine erste Prognose für die Axionenmasse abgeben. Jetzt arbeiten wir daran, diese Prognise weiterzuentwickeln und zu verbessern. Auch wollen wir unser Verständnis der Axion-erzeugenden Prozesse und deren möglicher Rolle für die Entstehung von Dunkle Materie-Strukturen auf kleineren Skalen erweitern. Hierfür entwickeln wir numerische Werkzeuge, die es uns erlauben werden, dem Axion über seine gesamte Entwicklung hinweg zu folgen: von der Entstehung aus dem Gewebe axionischer Strings im frühen Universum bis hin zur Bildung groß- und kleinskaliger Strukturen, beispielsweise Axion Minicluster oder Oszillonen, als Folge des Ubergangs zu massereichen Axionen. Wir wollen die Eigenschaften dieser Objekte (Größe und Massenverteilung) exakt bestimmen und dadurch notwendige Beschränkungen des Parameterraumes angeben, die eine Richtschnur sein können für die experimentelle Suche nach dem Axion im Kosmos.
