Wie spiegelbildlich sind Protonen und Antiprotonen?

  • 30. May 2014

Magnetisches Moment des Protons mit extrem geringem Fehler bestimmt – nun kommt das Antiproton dran.

Es ist ein klitzekleiner Sprung im kosmischen Spiegel, dem wir unsere Existenz verdanken. In der heißen Geburtsphase des Universums entstanden Materie und Antimaterie zu beinahe gleichen Anteilen. Da es im heißen Babyuniversum sehr eng zuging, trafen die gegensätzlichen Teilchen jedoch aufeinander und zerstrahlten. Eine winzige Abweichung von der perfekten Spiegelsymmetrie zwischen Materie und Antimaterie könnte für das Überleben des kleinen Materieüberschusses gesorgt haben.

vergoldete Penning-Falle

Abb.: Die vergoldete Penning-Falle besteht aus ringförmigen Elektroden, die durch isolierende Ringe aus künstlichem Saphir getrennt sind. (Bild: C. Rodegheri, MPIK)

Seit Jahrzehnten suchen Forscher mit unterschiedlichen Strategien nach einer Ursache hierfür. Ein vielversprechender Ansatz besteht darin, fundamentale Eigenschaften von Materiebausteinen mit ihren Antimaterie-Spiegelbildern zu vergleichen. Attraktive Kandidaten für so ein Vergleichsprogramm sind das Proton und das Antiproton. Der Magnetismus des Protons ist ein vielversprechender Punkt auf der wissenschaftlichen Materie-Antimaterie-Checkliste. Einer internationalen Kooperation gelang es nun, das magnetische Moment des Protons mit bisher unerreichter Präzision zu messen. „Die bis dahin genaueste Messung war 42 Jahre alt und zudem nur indirekt“, sagt Klaus Blaum vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg . „Ihre Interpretation erforderte viele zusätzliche Annahmen, was eine Limitierung darstellt.“

Blaum ist mit einem Team an der Kooperation beteiligt. Das Experiment, für das man unter anderem ein fast vollständiges Vakuum braucht, steht an der Johannes Gutenberg-Universität in Mainz. „Inzwischen können wir so ein Proton ein Jahr lang in unserer Falle speichern“, sagt Blaum, „so gut ist das Vakuum.“ Die Apparatur basiert auf dem Prinzip der Penning-Falle. Andreas Mooser, der das Experiment als Diplomand und dann als Doktorand in einer fünfjährigen Arbeit mit aufgebaut hat, erklärt es: „Wir halten das einzelne Proton mit geschickt gewählten elektrischen und magnetischen Feldern im freien Raum fest.“ Doch woran merkt man, ob das winzige Teilchen überhaupt in der Falle gespeichert ist? Ein gespeichertes Proton schwingt fast wie ein Uhrenpendel in der Falle hin und her. Mit seiner Ladung produziert es damit einen extrem schwachen Strom, den die hochsensitive Apparatur als Signal des Protons erfassen kann. „Es geht dabei um winzige Femtoampere-Ströme“, betont Andreas Mooser die Herausforderung.

Das schwingende Proton erzeugt einen winzigen Strom, den eine hochempfindliche Elektronik erfasst

Abb.: Das schwingende Proton erzeugt einen winzigen Strom, den eine hochempfindliche Elektronik erfasst. Das magnetische Moment des Protons ist als roter Pfeil eingezeichnet, die grünen Linien zeichnen das Magnetfeld in der Falle nach. (Bild: G. Schneider, U. Mainz)

Im Kern ging es bei der im Mainzer Experiment verwendeten Methode darum, die räumliche Ausrichtung des Protons als winzigem Magneten zu bestimmen. Hierzu nutzten die Wissenschaftler die Regeln der Quantenphysik, nach denen das Proton in einem von außen angelegten Magnetfeld als kleine Kompassnadel nur in zwei entgegengesetzte Richtungen zeigen darf. Je nach Orientierung schwang das Proton in der Falle schneller oder langsamer. Diese Methode hat der Physik-Nobelpreisträger Hans Georg Dehmelt bereits in den 1980er-Jahren zur Messung des magnetischen Moments des Elektrons verwendet. „Da aber das magnetische Moment des Protons fast 700 Mal kleiner ist, stellt dies eine besondere Herausforderung dar“, sagt Klaus Blaum. So brauchte es weitere dreißig Jahre, bis es gelang, diese Methode auf das Proton zu übertragen.

Mit dieser Methode hat das Team das magnetische Moment des Protons bis auf einen winzigen Fehler von einem Milliardstel des Messwerts genau bestimmt. Das ist so präzise, dass die Kooperation mit derselben Methode das magnetische Moment des Antiprotons messen will. Dazu baut ein von Stefan Ulmer vom japanischen RIKEN-Institut geleitetes Team ein identisches Experiment an einer Antiprotonenquelle am europäischen Forschungslabor CERN in Genf auf. Sollte das Team gar einen abweichenden Wert für das Antiproton entdecken, wäre das ein wichtiger Schritt zur Lösung des Antimaterie-Rätsels. „Das wäre dann ein Hinweis auf neue Physik außerhalb des Standardmodells der heutigen Teilchenphysik“, sagt Blaum. Entsprechend gespannt sind die Forscher auf das Antiprotonen-Experiment.

MPIK / DE

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