Überblick

In die Falle gegangen

Hochpräzise Experimente mit Penning-Fallen tragen dazu bei, das Standardmodell der Teilchenphysik besser zu verstehen.

  • Klaus Blaum, Sven Sturm und Stefan Ulmer
  • 01 / 2017 Seite: 31

Experimente mit Penning-Fallen ermöglichen es, die Eigenschaften einzelner Teilchen mit höchster Präzi­sion zu bestimmen. So tragen sie wesentlich zu unserem Verständnis fundamentaler physikalischer Prozesse bei. Mit Penning-Fallen lassen sich die Eigenschaften von Protonen und Antiprotonen vergleichen, die Massen stabiler und instabiler Isotope messen und der Wert von Fundamentalkonstanten bestimmen.

Zwei grundsätzlich unterschiedliche Ansätze erlauben es, die Vorhersagen des Standardmodells der Teilchenphysik zu überprüfen und mögliche Abweichungen zu entdecken: Experimente bei hohen Energien und hoher Luminosität und – im Gegensatz dazu – Experimente bei niedrigsten Energien und höchster Präzision. Beide Ansätze basieren auf der Struktur relativistischer Quantenfeldtheorien: Jede fundamentale Wechselwirkung, ob bereits im Standardmodell enthalten oder nicht, entsteht durch den Austausch von Wechselwirkungsquanten, die mit effektiven Konstanten an die Interaktionspartner koppeln. Der Hochenergieansatz nutzt die direkte Produktion und den Nachweis dieser Austauschquanten. Die Philosophie des Niedrig­energieansatzes besteht darin, innerhalb des Standardmodells extrem genau verstandene Systeme mit höchster Präzision zu vermessen. Abweichungen der experimentellen Resultate von den Vorhersagen des Standardmodells ließen sich bisher nicht direkt entdeckten Quantenfeldern und ihren Austauschquanten zuschreiben, wobei die Stärke der Kopplung zu bestimmen ist. Während der Hoch­energieansatz klare Fakten liefert, arbeitet der Niedrig­energieansatz indirekt. Aber je nach Kopplung ist er potenziell empfindlicher auf Austauschquanten mit Ruhemassen, die weit oberhalb der Energieskalen liegen, die heutige Beschleuniger erreichen, sodass beide Ansätze komplementär sind. 

In den letzten Jahren stellten sich Experimente an einzelnen gespeicherten geladenen Teilchen als besonders attraktiv heraus, um den Niedrigenergieansatz zu verfolgen: Fundamentalkonstanten wie die Elektronenmasse me und die Feinstrukturkonstante αem werden ermittelt, und die CPT-Invarianz lässt sich durch den Vergleich der Eigenschaften von Teilchen und Anti­teilchen testen. Wie exakt dafür die Massen der Teilchen zu bestimmen sind, hängt von den Frage­stellungen aus Kern-, Atom-, Astro-, Neutrino- und Teilchenphysik ab. Die Genauigkeiten reichen von δm/m ≈ 10–7 für Radionuklide und das Überprüfen von Kernmodellen bis hin zu 10–11 und besser zur Bestimmung von Fundamentalkonstanten. ...

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