Neues Limit für CPT-Symmetrie

  • 13. August 2015

Masse von Proton und Antiproton bis auf elf Nachkommastellen identisch.

Zwar kann das Standardmodell der Teilchenphysik die Existenz aller bekannten Elementar­teilchen und viele ihrer Beziehungen untereinander erklären, manche Beobachtungen aber passen dazu einfach nicht. So begründet das Standardmodell nicht die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie: Obwohl sie zu Beginn des Universums in gleichen Mengen entstanden sind und sich größtenteils gegenseitig wieder ausgelöscht haben, ist heute noch reichlich Materie im Universum vorhanden.

Abb.: Das Schema der Penningfalle, die das BASE-Projekt entwickelt hat. Ein Antiproton (rot) zirkuliert in der Messfalle, unterdessen wird ein Hydrid-Ion (grün) an einer Elektrode geparkt. (Bild: F. Marcastel, G. Schneider, BASE-Kollaboration)

Abb.: Das Schema der Penningfalle, die das BASE-Projekt entwickelt hat. Ein Antiproton (rot) zirkuliert in der Messfalle, unterdessen wird ein Hydrid-Ion (grün) an einer Elektrode geparkt. (Bild: F. Marcastel, G. Schneider, BASE-Kollaboration)

Also wollen Physiker das theoretische Gebäude des Standardmodells so ausbauen oder gar neu errichten, dass es nicht länger an verschiedenen Stellen wackelt. Daher suchen sie zunächst nach detaillierten experimentellen Hinweisen auf die konkreten Schwachstellen, zum Beispiel nach Unterschieden zwischen Materie und Antimaterie. Genau diese zu finden, ist das Ziel des Projektes namens BASE, kurz für Baryon Antibaryon Symmetry Experiment.

Auf ihrer Suche nach noch so kleinen Differenzen zwischen Materie und Antimaterie haben die BASE-Forscher nun das Verhältnis von Ladung zu Masse im Proton und Antiproton gemessen und die beiden Teilchen somit gewissermaßen gewogen. Damit haben sie den Vergleich zwischen Materie und Antimaterie in diesem System um einen Faktor vier genauer gemacht. „Wir haben festgestellt, dass das Verhältnis von Ladung zu Masse bis auf 69 Billionstel Bruchteile identisch ist“, sagt Stefan Ulmer, Wissenschaftler am Cern und Sprecher des Base-Projektes.

Mit dem Ergebnis bestätigen die Physiker Theorien, denen zufolge es zwischen Materie und Antimaterie keine Masse­unterschiede geben dürfte. Fänden die Forscher eine Massedifferenz, stellte das nicht nur das Standardmodell in Frage, sondern auch noch grund­legendere Theorien der Teilchenphysik. „Aber die Natur ist immer für Überraschungen gut“, sagt Klaus Blaum, Direktor am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg und einer der Partner von Base. „Daher müssen wir alle Möglichkeiten nutzen, die Modelle so präzise wie möglich zu überprüfen.“

Um das Proton und das Antiproton so extrem genau zu wiegen, haben sich die Forscher eine ausgeklügelte Methode einfallen lassen: Sie fangen die geladenen Teilchen in einer Penningfalle, in der die Partikel durch elektrische und magnetische Felder festgehalten werden. Das Magnetfeld zwingt die Teilchen dabei auf eine Kreisbahn, die ein Partikel etwa 30 Millionen Mal pro Sekunde durchläuft. So schnell die geladenen Teilchen auch in der Penningfalle sind, die Zahl ihrer Umläufe können die Forscher sehr präzise messen. Da die Frequenz ihrer Rotation vom Verhältnis ihrer Ladung zu ihrer Masse abhängt, lässt sich dieser Wert auf diese Weise sehr gut bestimmen.

Allerdings gibt es bei den Experimenten des Base-Projektes eine Komplikation, die vielleicht nicht jeder erwartet: „Es ist heute noch sehr schwierig, eine Spannung auf die elfte Stelle nach dem Komma genau einzustellen“, erklärt Klaus Blaum. Genau das müsste den Forschern aber gelingen, wenn sie das Proton und das Antiproton in der Penningfalle einzeln schleudern wollten. Dann müssten sie das elektrische Feld in der Falle mit einer negativen Spannung erzeugen, um das positiv geladene Proton einzufangen. Das negativ geladene Antiproton müssten sie entsprechend mit einer positiven Spannung einpferchen, deren Betrag sehr genau mit dem der zuvor verwendeten negativen Spannung übereinstimmt.

Da es derzeit kaum möglich ist, für beide Teilchen elektrische Felder gleicher oder zumindest sehr genau bekannter Stärke zu erzeugen, haben sich die Physiker auch hier einen Kniff einfallen lassen. Sie messen Proton und Antiproton in einem Experiment mit einem einzigen elektrischen Feld. Dafür müssen sie das Proton jedoch mit zwei Elektronen versehen und so in ein negativ geladenes Wasserstoff-Ion verwandeln. Denn nur so lässt es sich wie das ebenfalls negativ geladene Antiproton mit einer positiven Spannung bändigen.

„Es wäre zwar noch besser, wenn wir am Proton selbst messen könnten“, sagt Klaus Blaum. Die Masse des Elektrons und seine Bindungsenergie seien aber sehr genau bekannt, sodass sich aus dem Ladungs-Masse-Verhältnis des Wasserstoff-Ions sehr gut der entsprechende Wert des Protons und dessen Masse ermitteln ließen. „Uns ist auf diese Weise die weltbeste Messung des Massevergleichs von Proton und Antiproton gelungen.“

Mit ihren Experimenten haben die Forscher im Vergleich zwischen Materie und Antimaterie also eine neue Stufe erreicht. „Die Forschung mit Antimaterie-Teilchen hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht“, sagt Rolf Heuer, Generaldirektor des CERN. „Der Grad an Präzision, den Base erreicht hat, beeindruckt mich.“

Die Fertigkeiten, die sich die Base-Forscher in ihren bisherigen Messungen angeeignet haben, wollen sie nun nutzen, um weiter nach Unterschieden zwischen Materie und Antimaterie zu fahnden. „Sehr vielversprechend, um Differenzen zwischen Materie und Antimaterie aufzuspüren, sind die magnetischen Momente des Protons und Antiprotons“, sagt Stefan Ulmer. Das magnetische Moment des Protons haben die Forscher bereits vermessen. Jetzt wollen sie den entsprechenden Wert des Antiprotons ermitteln. „Wir haben gerade wieder angefangen zu messen“, sagt Stefan Ulmer.

MPG / DE

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