Rätsel bleibt weiter spannend – fundamentale Eigenschaften von Proton und Antiproton identisch


Materie-Rätsel bleibt weiter spannend: Fundamentale Eigenschaft von
Proton und Antiproton identisch

Magnetische Kraft von Antiprotonen auf neun signifikante Stellen genau
gemessen – 350-mal genauer als bisher

Die Suche geht weiter. Noch immer wurde kein Unterschied zwischen
Protonen und Antiprotonen gefunden, der die Existenz von Materie in
unserem Universum
erklären könnte. Dabei ist es Physikern der BASE-Kollaboration am
Forschungszentrum CERN gelungen, die magnetische Kraft von Antiprotonen
mit einer fast
unglaublichen Genauigkeit zu messen. Doch auch diese Daten geben keinen
Aufschluss darüber, weshalb sich im frühen Universum Materie gebildet
hat, denn
eigentlich hätten sich Teilchen und Antiteilchen komplett vernichten
müssen. Die neuesten BASE-Messungen zeigen stattdessen eine große
Übereinstimmung
zwischen Protonen und Antiprotonen und bestätigen das Standardmodell der
Teilchenphysik. Weltweit sind Wissenschaftler mit unterschiedlichen
Methoden auf der Suche nach einem Unterschied und sei er auch noch so
klein. Das Materie-Antimaterie-Ungleichgewicht im Universum gilt als
eines der größten Rätsel in der Physik.

Die BASE-Kollaboration am europäischen Forschungszentrum CERN besteht
aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des japanischen
Forschungszentums RIKEN,
des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg, der Johannes
Gutenberg-Universität Mainz (JGU), der Universität Tokio, der GSI
Darmstadt, der Universität
Hannover und der PTB Braunschweig. Die BASE-Forscher vergleichen die
fundamentalen Eigenschaften von Protonen und Antiprotonen mit höchster
Präzision,
in der vorliegenden Studie das magnetische Moment, das man sich etwa wie
einen Miniatur-Stabmagneten vorstellen kann. Gemessen wird der
sogenannte g-Faktor,
der die magnetische Feldstärke angibt. „Die Frage ist praktisch, ob das
Antiproton genauso magnetisch ist wie das Proton“, erklärt Stefan Ulmer,
Sprecher
der BASE-Gruppe. „Das ist das Rätsel, dem wir auf der Spur sind.“

Die BASE-Gruppe hatte dazu bereits im Januar dieses Jahres für das
Antiproton eine hochgenaue Messung des g-Faktors veröffentlicht, die nun
noch übertroffen
wird. Mit der jetzigen Hochpräzisionsmessung wurde der g-Faktor auf neun
signifikante Stellen genau bestimmt. Das ist in etwa so, als ob man den
Erdumfang
mit einer Genauigkeit von vier Zentimetern bestimmen wollte. Der Wert
von 2,7928473441(42) ist 350-mal genauer als das im Januar publizierte
Ergebnis.
„Diese Steigerung in einer so kurzen Zeit war nur dank einer komplett
neuen Methode möglich“, so Ulmer. Dazu haben die Wissenschaftler
erstmals zwei Antiprotonen
verwendet und sie mit zwei Penningfallen analysiert.

Antiprotonen bis zur Analyse ein Jahr lang gespeichert

Antiprotonen werden am CERN künstlich erzeugt und von den Forschern für
Versuche in einer Reservoirfalle gespeichert. Die Antiprotonen für das
jetzige Experiment stammten aus dem Jahr 2015 und wurden zwischen August
und Dezember 2016 vermessen – auch dies eine kleine Sensation, da eine
so lange Antimaterie-Speicherzeit
bislang noch nicht dokumentiert ist. Normalerweise würden Antiprotonen
in kürzester Zeit in Kontakt mit Materie annihilieren, beispielsweise in
der Raumluft.
Die Speicherung erfolgte für 405 Tage in einem Vakuum, das zehnmal
weniger Teilchen enthielt als der interstellare Raum. Insgesamt wurden
16 Antiprotonen
verbraucht, die teilweise auf eine Temperatur nahe dem absoluten
Nullpunkt bei minus 273 Grad Celsius gekühlt wurden.

Das neue Prinzip beruht auf dem Zusammenspiel von zwei Penningfallen.
Solche Fallen halten die Antiprotonen durch elektrische und magnetische
Felder fest.
Die bisherigen Messungen waren durch eine starke magnetische
Inhomogenität in der Analysefalle limitiert. Um diese Schranke zu
durchbrechen, fügten die
Wissenschaftler eine zweite Falle mit einem Magnetfeld hoher Homogenität
hinzu. „Damit haben wir eine Methode angewendet, die an der Johannes
Gutenberg-Universität
Mainz entwickelt wurde und die Messungen mit höherer Präzision
ermöglicht“, erklärt Ulmer. „Diese Messung mit Antiprotonen zum Laufen
zu bringen ist extrem
schwierig und wir haben seit zehn Jahren daran gearbeitet. Der
schlussendliche Durchbruch ist uns durch die bahnbrechende Idee, die
Messung mit zwei Teilchen durchzuführen, gelungen.“ Gemessen werden die
Larmorfrequenz und die Zyklotronfrequenz, aus denen sich der g-Faktor
ergibt.

Der so ermittelte g-Faktor für das Antiproton wird mit dem g-Faktor des
Protons verglichen, den die BASE-Forscher 2014 mit der bislang höchsten
Genauigkeit
ermittelt haben – ohne dass ein Unterschied zwischen den beiden zu
finden ist. Diese Übereinstimmung stellt eine Bestätigung der
CPT-Symmetrie dar, wonach
im Universum eine fundamentale Symmetrie zwischen Teilchen und
Antiteilchen besteht. „In all unseren Beobachtungen verhalten sich
Materie und Antimaterie
komplett symmetrisch, weshalb es das Universum so gar nicht geben
dürfte“, so Christian Smorra, Erstautor der Studie. „Ganz offensichtlich
besteht aber
eine Asymmetrie, wir verstehen nur den Unterschied nicht. Woher kommt
diese Symmetriebrechung?“

Die Motivation der BASE-Wissenschaftler ist es nun, durch noch genauere
Messungen der Eigenschaften sowohl des Protons als auch des Antiprotons
eine Antwort
auf diese Frage zu finden. Die BASE-Kollaboration will dazu in den
nächsten Jahren weitere innovative Methoden entwickeln und das jetzige
Ergebnis noch
toppen.

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