Überblick

Elektrische Dipolmomente gesucht

Für elektrische Dipolmomente (sub-)atomarer Teilchen gibt es nur Obergrenzen. Sämtliche experimentell gefundenen Werte sind bislang mit Null verträglich.

  • Klaus Kirch, Jörg Pretz und Andreas Wirzba
  • 11 / 2017 Seite: 41

Der Titel mag erstaunlich klingen, sind doch elektrische Dipolmomente in vielen Systemen wie dem Wassermolekül wohlbekannt. In (sub-)atomaren Teilchen sind sie jedoch mit der Verletzung grund­legender Symmetrien verbunden und eng verknüpft mit einer der großen Fragen der Teilchen­physik und Kosmologie: Warum leben wir in einer Welt, in der Materie dominiert, obwohl nach der gängigen Urknalltheorie am Anfang des Universums Materie und Antimaterie im Gleichgewicht standen?

Elektrische Dipolmomente entstehen in der makroskopischen Welt, wenn positive und negative Ladungsträger unterschiedliche räumliche Verteilungen haben. Für zwei entgegengesetzt geladene Punktladungen Q beträgt das elektrische Dipolmoment der Verbindungsvektor von der negativen zur posi­tiven Ladung ist. Naiv erwartet man demnach bei einem Wassermolekül ein Dipolmoment, das dem Abstand der Wasserstoffatome zum Sauerstoffatom (etwa 10–8 cm) multipliziert mit der Elementarladung e entspricht, also 10–8 e · cm. Dieses Ergebnis kommt dem experimentellen Wert von 3,8 · 10–9 e · cm recht nahe. Analog folgt für ein Neutron, das aus zwei d-Quarks und einem u-Quark aufgebaut ist und einen Durchmesser von 10–13 cm besitzt, ein Dipolmoment von 10–13 e · cm. Experimente haben bislang jedoch nur einen mit Null verträglichen Wert ergeben. Die experimentelle Messunsicherheit lässt auf eine obere Grenze von etwa 3 · 10–26 e · cm schließen – ein Wert, der um 13 Größenordnungen unter der naiven Abschätzung liegt! Die elektroschwache Wechselwirkung des Standardmodells der Teilchenphysik sagt sogar einen Wert kleiner als 10–31 e · cm voraus.

Daher stellt sich die Frage, warum die elektrischen Dipolmomente (EDM) subatomarer bzw. atomarer Teilchen so klein sind, obwohl in klassischen Systemen wie Plattenkondensatoren, Dioden oder Batterien und in gewissen Molekülen die geo­metrisch zu erwartenden Resultate auftreten. Die Ursache hierfür liegt darin, dass die Ausrichtung und Existenz des EDM-Vektors dieser Teilchen mit der expliziten Brechung diskreter Symmetrien verknüpft sind. Konkret sind das die Parität (P) und die Zeitumkehrinvarianz (T), die empirisch nur sehr schwach verletzt sind (Infokasten Parität, Zeitumkehr und Ladungs­konjugation). Wie aber führen diese Symmetriebrechungen zu einem EDM?...

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