Aktuelle Nachrichten

15.06.22 | Präzisionsmessungen
Erste direkte Messung der g-Faktor Differenz zweier gleichzeitig gespeicherter Isotope

Die Quantenelektrodynamik (QED), die fundamentale Theorie der Licht-Materie-Wechselwirkung, war bisher stets in hervorragender Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen (siehe z. B. unsere Nachricht vom 08.07.11 und 20.02.14). Heutige fortgeschrittene hochpräzise Penningfallen-Messungen ermöglichen Tests hochmoderner QED-Berechnungen. Das magnetische Moment (bzw. der g-Faktor) wasserstoffähnlicher Ionen, die ein einfaches gebundenes System darstellen, ist experimentell zugänglich und lässt sich auch sehr präzise theoretisch vorhersagen. Daher liefern genaue g-Faktor Messungen des gebundenen Elektrons hochgeladener Ionen (HCI) in Penningfallen strenge Tests des Standardmodells in den stärksten elektromagnetischen Feldern (siehe z. B. unsere Nachricht vom 25.02.19).
Der g-Faktor des gebundenen Elektrons in wasserstoffähnlichen Ionen ergibt sich vor allem durch das zusätzliche elektrische Feld modifizierten g-Faktor eines freien Elektrons. Da viele andere beitragende Kerneffekte (z. B. Kernmasse, Ladungsradius) kleiner sind als die QED-Beiträge und deren Unsicherheiten, lassen sie sich nur schwer untersuchen. Diese theoretische Limitation lässt sich überwinden, indem man die g-Faktor Differenz zweier hochgeladener Isotope untersucht. In diesem Fall müssen die gemeinsamen identischen QED-Beiträge und deren Unsicherheiten nicht berücksichtigt werden, sodass die Unterschiede der Isotope aufgrund des Kerns in den Vordergrund treten. Hierdurch kann z. B. der Beitrag des Kernrückstoßes zum g-Faktor aufgelöst und getestet werden, der die Beweglichkeit des Kerns im Rahmen komplizierter QED-Berechnungen berücksichtigt.
Für die Durchführung hochpräziser Tests dieser genauen QED-Berechnungen, müssen die experimentellen Limitationen aufgrund der Genauigkeit der Ionenmassen und der erreichbaren Magnetfeldstabilität (siehe unsere Nachricht vom 18.01.16) überwunden werden. Indem man zwei HCIs gleichzeitig in einer Penningfalle speichert und die Differenz ihrer g-Faktoren direkt misst, könnte der Einfluss von Magnetfeldfluktuationen erheblich reduziert werden. Die stark verbesserte Messgenauigkeit würde es erlauben, die zugehörigen QED-Berechnungen mit hoher Präzision zu testen.

In einem kürzlich in "Nature" veröffentlichten Artikel berichten unsere Abteilungsmitglieder Dr. T. Sailer et al. über den Einsatz einer neu entwickelten Technik zur direkten Messung der g-Faktor Differenz. Die hochpräzisen Messungen wurden im Penningfallen-System ALPHATRAP am MPIK in Heidelberg durchgeführt, wo Ionen durch die Kombination aus statischen elektrischen und magnetischen Feldern gefangen und manipuliert werden können. ALPHATRAP ist ein kryogenes Doppelfallen-System in einem supraleitenden 4-T Magneten, bestehend aus einer Präzisionsfalle (PT) und einer Analysefalle (AT). Die PT mit ihrem sehr homogenen Magnetfeld wird dabei für Spektroskopie mit höchster Präzision verwendet, während in der AT durch eine starke magnetische Flasche die Larmor-Frequenz ν_L bestimmt werden kann. Dazu werden mithilfe des kontinuierlichen Stern-Gerlach Effekts durch Mikrowellen im Bereich von ν_L induzierte Spin-Flips detektiert.

Die Bestimmung des g-Faktors der gespeicherten Ionen basiert auf der Messung des Frequenzverhältnisses ν_L/ν_c der Larmor-Frequenz (ν_L) und der Zyklotronfrequenz (ν_c). ν_c kann in der PT aus den drei unabhängigen harmonischen Oszillationen der Ionenbewegung ν_z (Axialfrequenz), ν₊ (modifizierte Zyklotronfrequenz) und ν_- (Magnetronfrequenz) mithilfe des Invarianztheorems präzise bestimmt werden: ν_c²=ν₊²+ν_z²+ν_-².
Für die direkte Messung der g-Faktor Differenz zweier HCIs zum strengen Test exakter QED-Berechnungen gebundener Zustände, wurden die Neon-Isotope²⁰Ne⁹⁺ und ²²Ne⁹⁺ gleichzeitig in dem Penningfallen-System gespeichert. Hierzu entwickelten die Wissenschaftler eine neuartige Messtechnik, die auf dem Prinzip der "Two-Ion-Balance" beruht, die am MIT entwickelt wurde (siehe Phys. Rev. A 45, 3049 (1992) und Science 303, 334–338 (2004) ).

Die beiden Ionen, ²⁰Ne⁹⁺ und ²²Ne⁹⁺, wurden dazu auf einer gemeinsamen Magnetron Kreisbahn mit einem Abstand von lediglich 400 μm in der PT gekoppelt. Dies ermöglicht eine kohärente Messung der Larmor-Frequenz Differenz indem eine Ramsey-artige Messung (eine Einstrahlung von zwei kurzen Mikrowellen π/2-Pulsen, mit einer variablen Zeit dazwischen) durchgeführt wurde. Aus der extrahierten Differenzfrequenz Δν_L konnte anschließend die g-Faktor Differenz Δg von ²⁰Ne⁹⁺ und ²²Ne⁹⁺ bestimmt werden. Die erreichte Präzision von 5.6 × 10⁻¹³ (0.56 p.p.t.) relative zu den absoluten g-Faktoren ist mehr als zwei Größenordnungen genauer als vorherige Vergleiche dieser Art.

Diese verbesserte Genauigkeit erlaubt es zum ersten Mal, den QED-Beitrag zum Kernrückstoß aufzulösen und zu bestätigen. A. V. Volotka und Mitglieder der Theorie-Abteilung von Prof. C. H. Keitel führten für den Vergleich des experimentellen Ergebnisses mit der theoretischen Vorhersage präzise QED-Berechnungen durch. Der experimentelle Wert stimmt hervorragend mit dem berechneten Wert von Δg überein und ist zudem 10-mal genauer. Alternativ dazu kann die Kombination aus Theorie und des sehr genauen experimentellen Werts verwendet werden, um eine Verbesserung der Präzision der Ladungsradius-Differenz der Isotope um etwa eine Größenordnung zu erreichen.
Außerdem gestattet die exzellente Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment, Einschränkungen für die Suche nach neuer Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik zu setzen.

Weitere Informationen finden Sie im "Nature"-Artikel und dem zugehörigen Artikel in News & Views

Bitte lesen Sie auch die Pressemeldung des MPIK (idw ).

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08.06.22 | Präzisionsmessungen
Erste direkte Messung des magnetischen Kernmoments von Helium-3

Das Helium-Isotop ³He ist für die moderne Physik von großer Bedeutung, insbesondere für die Grundlagenphysik (siehe z. B. unsere Nachricht vom 03.09.20), etwa empfindliche Tests der QED gebundener Zustände und Myon g-2 Experimente. Darüber hinaus auch für die Chemie, die Medizin und andere Wissenschaftsbereiche.
In der Magnetometrie sind mittels magnetischer ³He Kernresonanz-Sonden präzisere absolute Messungen des Magnetfeldes möglich, als bei Verwendung von Standard-Sonden, die Wasser verwenden. Daher könnten 3He Kernresonanz-Sonden für sehr genaue absolute Magnetometer verwendet werden und als neuer Standard für die ultra-sensitive absolute Magnetometrie dienen.
Voraussetzung hierfür ist aber, dass das magnetische Moment des ³He Kerns sehr genau und unabhängig bestimmt ist. Allerdings wurde bisher das Moment des ³He Kerns lediglich indirekt über den Vergleich mit wasserbasierten Proben mit einer relativen Genauigkeit von lediglich 12 parts per billion (p.p.b.) gemessen.
Der sogenannte g-Faktor ist eine Proportionalitätskonstante, die das magnetische Moment eines geladenen Teilchens mit seinem Spin verknüpft. Folglich wird eine hochpräzise direkte Bestimmung des g-Faktors des ³He Kerns eine unabhängige Kalibrierung von ³He Kernresonanz-Sonden für hochgenaue Magnetometrie liefern.

In einem kürzlich in "Nature" veröffentlichten Artikel berichten Wissenschaftler unserer Abteilung "Gespeicherte und gekühlte Ionen", der Universität Mainz und von RIKEN über die ersten direkten Messungen des g-Faktors des gebundenen Elektrons und des g-Faktors des Kerns von ³He⁺ mit einer relativen Genauigkeit von 10^–10. Die Genauigkeit der Nullfeld-Hyperfeinaufspaltung des Grundzustands von ³He⁺ (magnetische Wechselwirkung von Elektron und Kern) konnte um zwei Größenordnungen verbessert werden.
Die Präzisionsmessungen wurden in einem neuartigen Penningfallen-System durchgeführt. Der Aufbau befindet sich im homogenen Feld eines supraleitenden 5.7 T Magneten und besteht aus einer Präzisionsfalle (PT) und einer Analysefalle (AT) mit einer räumlich getrennten starken magnetischen Inhomogenität.

Die Bewegung eines einzelnen in einer Penningfalle gespeicherten geladenen Teilchens - in diesem Fall das ³He⁺ Ion - besteht aus drei unabhängigen harmonischen Oszillationen: der Axialfrequenz ν_z, der modifizierten Zyklotronfrequenz ν₊ und der Magnetronfrequenz ν_-. Diese Eigenfrequenzen können mit hoher Genauigkeit in der PT nachgewiesen werden. Die freie Zyklotronfrequenz ν_c lässt sich mithilfe des sogenannten Invarianztheorems ν_c²=ν₊²+ν_z²+ν_-² bestimmen.
Der Elektronenspin und der Kernspin von ³He⁺ sind parallel oder antiparallel zu einem äußeren Magnetfeld ausgerichtet. Daraus ergibt sich eine Hyperfeinaufspaltung in ³He⁺ mit vier unterschiedlichen Hyperfeinzuständen. In der PT wurden zwei Elektronenspin- und zwei Kernspin-Übergangsfrequenzen zwischen diesen Hyperfeinzuständen bestimmt, indem die Zyklotronfrequenz gemessen wurde, während eine Mikrowellen-Anregung einer der vier Hyperfeinübergänge erfolgte.
Die elektronischen Übergänge und die Kernübergänge entsprechen einem Spin-Flip des Elektrons bzw. des Kerns. Die AT mit der starken magnetischen Inhomogenität dient dem Nachweis des Spinzustands durch Anwendung des kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effekts. Ein Spin-Flip ändert das magnetische Moment des gespeicherten ³He⁺. Wegen der Kopplung des magnetischen Moments an die Axialfrequenz von ³He⁺, bewirkt diese Änderung eine Verschiebung der Axialfrequenz. Daher kann ein Spin-Flip nachgewiesen werden, indem man die Axialfrequenz in der AT vor und nach dem resonanten Anregen des Hyperfeinübergangs misst.
Aus den Resonanzkurven für jeden der vier Hyperfeinübergänge wurden der g-Faktor des gebundenen Elektrons, der g-Faktor des Kerns und die Nullfeld-Hyperfeinaufspaltung von ³He⁺ extrahiert. Die dabei erreichte relative Genauigkeit von 10^–10 ist um einen Faktor 10 besser als jene bisheriger Ergebnisse.

Für den Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit modernen theoretischen Vorhersagen führten Mitglieder der MPIK-Theoriegruppe um Zoltán Harman in der Abteilung von Christoph H. Keitel hochpräzise QED-Berechnungen durch. Der theoretische Wert des g-Faktors des gebundenen Elektrons von ³He⁺ ist konsistent mit dem experimentellen Resultat. Der Unterschied zwischen dem experimentellen Wert der Nullfeld-Hyperfeinaufspaltung des Grundzustands von ³He⁺ und dem berechneten Wert beträgt 6 parts per million (p.p.m.).
Aus dem gemessenen abgeschirmten g-Faktor des ³He⁺ Kerns und einer sehr genauen QED-Berechnung der diamagnetischen Abschirmkonstante wurde außerdem der g-Faktor des "nackten" (d. h. nicht abgeschirmten) ³He Kerns ermittelt.

Diese erste direkte Kalibrierung für ³He Kernresonanz-Sonden verbessert bisherige indirekte Ergebnisse um eine Größenordnung (1 p.p.b. anstatt 12 p.p.b.). Künftig sollen die Penningfallen-Messungen weiter verbessert werden, indem die magnetische Inhomogenität der PT reduziert wird. Außerdem werden durch den Einsatz schneller phasensensitiver Nachweismethoden - z. B. der "Pulse and Amplify" Methode - noch genauere Magnetfeldmessungen möglich sein. Die erstmals bei Helium-3 eingesetzte neue Messmethode kann auch zur Bestimmung des magnetischen Kernmoments schwererer wasserstoffähnlicher Ionen eingesetzt werden. Der nächste Schritt wird eine direkte Penningfallen-Messung des magnetischen Moments des nackten ³He Kerns sein. Mithilfe sympathetischer Laserkühlung wird eine relative Genauigkeit von etwa 1 p.p.b. oder besser erreicht werden.

Weitere Informationen finden Sie im "Nature" Artikel ... >

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14.01.22 | Präzisionsmessungen
Präzisionslaserspektroskopie überprüft moderne Kerntheorien in der Nickel-Region

Moderne Kerntheorien jenseits des einfachen Schalenmodells haben zum Ziel, Atomkerne über die komplette Nuklidkarte hinweg einheitlich zu beschreiben. In den letzten Jahren gab es deutliche theoretische Fortschritte im Bereich der Vielteilchen-Methoden und bei der Entwicklung von Ab-initio-Methoden, die auf Wechselwirkungen der chiralen effektiven Feldtheorie (EFT) basieren. Heute können Kernladungsradien mit hoher Präzision gemessen werden und eignen sich daher als robuste Benchmarks für Ab-initio-Rechnungen und gut kalibrierte Energiedichte-Funktionale, wie z. B. das Fayans-Funktional (siehe z. B. unsere Nachrichten vom 08.02.16, 04.09.18 und 16.05.19). Für die Entwicklung eines kohärenten kerntheoretischen Rahmens, müssen Ab-initio-Modelle mit der Dichtefunktionaltheorie (DFT) verknüpft werden.

In einem kürzlich in "Physical Review Letters" veröffentlichten Artikel, berichten S. Malbrunot-Ettenauer et al. über die bestimmten Kernradungsradien der kurzlebigen Nickel-Isotope ^58-68,70Ni (Z=28). Diese Nickel-Isotope stellen in Bezug auf die Kernladungsradien die letzte unerforschte "magische" Isotopenreihe in diesem Massenbereich dar. Die Präzisionsexperimente wurden mit dem kollinearen Laserspektroskopie-Setup COLLAPS an der radioaktiven Ionenstrahl-Anlage ISOLDE /CERN in Genf durchgeführt. Details zum COLLAPS-Setup können in R. Neugart et al. (2017) nachgelesen werden (siehe unsere Nachricht vom 24.04.17).
Im präsentierten Laserspektroskopie-Experiment sind die Ladungsradien von ^{59,63,65-67,70}Ni bestimmt worden. Der Ladungsradius von ⁶⁸Ni wurde bereits im Artikel von S. Kaufmann et al. (2020) angegeben, in dem sich auch eine nähere Beschreibung des Experiments an ISOLDE/CERN findet.
Nach Neutralisierung der Ni-Ionen in einer Ladungsaustauschzelle, wurde an den Ni-Atomen kollineare Laserspektroskopie durchgeführt. Der 3d⁹ 4s ³D₃ -> 3d⁹ 4p ³P₂ Übergang bei 352.45 nm wurde mit einem frequenzverdoppelten Single-Mode Titan:Saphir Dauerstrich-Laser angeregt. Alle Nickel-Isotope wurden abwechselnd mit dem Referenz-Isotop ⁶⁰Ni gemessen, um eine mögliche Langzeitdrift in der Ionengeschwindigkeit oder der Laserfrequenz zu kompensieren. Das Frequenz-Zeit-Spektrum der Ni-Resonanzen wurde mit dem neuen Datenerfassungssystem "TILDA" aufgenommen.
Die Isotopieverschiebungen δν^60,A = ν^A - ν⁶⁰ wurden aus der Resonanzfrequenz ν^A eines Ni-Isotops bezogen auf die Resonanzfrequenz ν⁶⁰ des Referenzisotops ⁶⁰Ni berechnet.
Aus den Isotopieverschiebungen wurden die Änderungen in den mittleren quadratischen Kernladungsradien δ<r_c²>^60,A der gemessenen Nickel-Isotope in Bezug auf das Referenz-Isotop ⁶⁰Ni extrahiert. Die absoluten Ladungsradien R_c wurden aus δ<r_c²>^60,A mittels R_c (⁶⁰Ni) bestimmt.

Die experimentellen Ergebnisse für R_c und δ<r_c²> wurden mit zwei DFT-Ansätzen (dem Skyrme-Funktional SV-min und dem Fayans-Funktional Fy(Δr, HFB)) und drei unabhängigen Ab-initio-Methoden, die auf chiralen EFT-Wechselwirkungen basieren, verglichen.
Ladungsradien R_c ermöglichen den Vergleich von Theorie und Experiment auf der absoluten Skala. Da sich verschiedene theoretische Unsicherheiten in den differentiellen Ladungsradien δ<r_c²> aufheben, lassen sich mit δ<r_c²> lokale Variationen in der Kernladungsverteilung genauer untersuchen.

Bei Verwendung des selben chiralen EFT-basierten Kernpotentials NNLO_sat in allen Ab-initio-Rechnungen, waren deren Ergebnisse für R_c und δ<r_c²> sehr konsistent und sie stimmten gut mit dem Experiment überein. Ab-initio-Rechnungen, die andere Kernwechselwirkungen einsetzten, wichen deutlich von den experimentellen absoluten Ladungsradien R_c ab und konnten lediglich gute Ergebnisse für δ<r_c²> liefern.

Ungewöhnlich deutliche Größenzunahmen bzw. -abnahmen von R_c beim Wechsel zwischen ungeraden und geraden Neutronenzahlen (sog. Odd-Even-Staggering) oder Knicke im R_c-Trend bei Schalenabschlüssen, konnten durch Fayans-basierende Funktionale erfolgreich beschrieben werden (siehe z. B. unsere Nachrichten vom 08.02.16, 04.09.18 und 16.05.19). Fehlen allerdings wie bei der untersuchten "magischen" Nickel-Isotopenreihe solche Eigenschaften, so liefert die Skyrme-basierte DFT interessanterweise Resultate, die den experimentellen Ergebnissen näher kommen als das Fayans-Funktional.

Die präsentierte vergleichende Arbeit, die Experiment, Dichtefunktionaltheorie und Ab-initio-Rechnungen kombiniert, konnte eine theoretische Genauigkeit von etwa 1% für die Beschreibung von Kernladungsradien im Bereich von Nickel erreichen.

Weitere Informationen finden Sie im Artikel ... >

05.01.22 | Präzisionsmessungen
BASE verbessert die experimentellen Schranken auf die Verletzung der CPT-Invarianz und des schwachen Äquivalenzprinzips

Das Standardmodell (SM) ist die erfolgreichste Theorie der Teilchenphysik. Es beschreibt drei der vier bekannten Grundkräfte (die elektromagnetische, die schwache und die starke Wechselwirkung) und klassifiziert alle bekannten Elementarteilchen. Ein großer Erfolg des SM war z. B. die Vorhersage des Higgs-Bosons im Jahr 1964, das schließlich im Jahr 2012 am CERN in Genf entdeckt wurde.
Allerdings weisen wichtige Beobachtungen auch deutlich darauf hin, dass das Standardmodell der Teilchenphysik nicht vollständig ist. Als eine lokale, unitäre und Lorentz-invariante Quantenfeldtheorie, ist das SM CPT-invariant (C: Ladung, P: Parität, T: Zeit). Deshalb stimmen gemäß dem SM die fundamentalen Eigenschaften (z. B. Masse, magnetisches Moment, Lebensdauer) eines Teilchens und seines Antiteilchens exakt überein. Daher hätten im frühen Universum gleich viele Teilchen und Antiteilchen gebildet werden müssen. Das bedeutet, dass das SM die erstaunliche Materie-Antimaterie-Asymmetrie im beobachtbaren Universum nicht erklären kann. Diesem Problem wird mit Tests der CPT-Symmetrie durch den hochpräzisen Vergleich fundamentaler Eigenschaften von Materie-/Antimaterie-Konjugaten nachgegangen. Neue theoretische Modelle, die eine CPT-Verletzung herbeiführen und eine weiter erhöhte Messpräzision könnten zu einer Physik jenseits des Standardmodells führen.

Eine andere sehr aktuelle Fragestellung in der Physik ist, ob das schwache Äquivalenzprinzip (WEP: Weak Equivalence Principle), das ein Grundpfeiler der Allgemeinen Relativitätstheorie und anderer Gravitationstheorien ist, auch für Antimaterie gilt. Das WEP besagt, dass schwere und träge Masse äquivalent sind. Es ist für Materie mit hoher Genauigkeit durch viele Experimente getestet worden. Ein experimenteller Test des WEP mit Antimaterie stand bisher nicht zur Verfügung. Untersuchungen von Materie-/Antimaterie-Konjugaten mittels "Zyklotron-Uhren" ermöglichen insbesondere den Test des "Cyclotron Clock Weak Equivalence Principle" (WEP_cc).

In einem kürzlich in "Nature" veröffentlichten Artikel befasst sich die BASE-Kollaboration mit den beiden genannten fundamentalen Fragen. Die Forschenden führten hochpräzise Tests der CPT-Symmetrie und des WEP_cc durch. Hierzu kam das kryogene Multi-Penningfallen-System von BASE, das aus einer Messfalle und einer Reservoirfalle besteht, am Antiproton Decelerator (AD) am CERN in Genf zum Einsatz.

Für den Test der CPT-Invarianz mit Baryonen verglich das BASE-Team die Proton/Antiproton Ladungs-Masse-Verhältnisse durch Messung der freien Zyklotronfrequenzen ν_c=(q·B)/(2π·m) eines einzelnen gespeicherten Antiprotons und eines negativ geladenen Wasserstoff-Ions H^- in einem fortgeschrittenen Penningfallen-System. H^- eignet sich hervorragend als negativ geladener Stellvertreter des Protons, da bei einem Vergleich von Teilchen mit gleichem Ladungsvorzeichen die Umkehrung der Fallenspannung vermieden werden kann, wodurch systematische Verschiebungen des Frequenzverhältnisses erheblich reduziert werden können.
Das Brown-Gabrielse Invarianztheorem ν_c²=ν₊²+ν_z²+ν_-² verknüpft ν_c mit der modifizierten Zyklotronfrequenz ν₊, der Axialfrequenz ν_z und der Magnetronfrequenz ν_-. Der Vergleich von ν_c von Antiprotonen und H^---Ionen im selben Magnetfeld B₀ erlaubt die Bestimmung des Verhältnisses ihrer Ladungs-Masse-Verhältnisse.
Um die Genauigkeit des bisher besten Vergleichs des Proton/Antiproton Ladungs-Masse-Verhältnisses durch BASE zu verbessern (siehe unsere Nachricht vom 12.08.15, [Nature 524, 196-199 (2015) ]), sind zahlreiche experimentelle Upgrades implementiert worden: ein gründliches Re-Design des kryogenen Experimentaufbaus (CERN Document 2702758 ), die Entwicklung eines fortgeschrittenen mehrschichtigen magnetischen Abschirmsystems (Phys. Rev. Applied 12, 044012 (2019) ) und eines Spiegelstrom-Detektors mit einstellbarer Frequenz (siehe unsere Nachricht vom 18.07.17, [Phys. Rev. Lett. 119, 033001 (2017) ]).
Die Axialfrequenz ν_z wurde durch Auswertung eines Dip-Spektrums bestimmt. Die modifizierte Zyklotronfrequenz ν₊ (und auf gleiche Weise die Magnetronfrequenz ν_-) wurde mit der sehr gut etablierten Seitenband-Methode durch Auswertung eines "Double-Dip"-Spektrums gemessen. Zusätzlich kam eine noch genauere "Peak-Methode" zum Einsatz.
Der neue Wert 1.000000000003(16) des Verhältnisses der Proton/Antiproton Ladungs-Masse-Verhältnisse mit einer relativen Genauigkeit von 16 parts-per-trillion (ppt, 10^-12) steht im Einklang mit der CPT-Invarianz. Das Endergebnis beruht auf der Kombination von vier unabhängigen Langzeitstudien, die in einem Zeitraum von insgesamt 1.5 Jahren (Dezember 2017 - Mai 2019) durchgeführt wurden. Es verbessert die Präzision der bislang genauesten Messung der BASE-Kollaboration um einen Faktor 4.3 (siehe unsere Nachricht vom 12.08.15) und schränkt die CPT-verletzenden Effekte auf eine Energieskala von etwa 2·10⁻²⁷ GeV ein.

WEP_cc-verletzende Gravitationsanomalien für Antimaterie würden bewirken, dass sich die Frequenzen einer "Proton-Zyklotron-Uhr" bei ν_c,p und ihrer CPT-konjugierten " Antiproton-Zyklotron-Uhr" bei ν_c,anti-p unterscheiden. Die vier Messkampagnen zwischen Dezember 2017 und Mai 2019 ermöglichten die Untersuchung der Zyklotronfrequenzen ν_c des Protons und des Antiprotons bei unterschiedlichen Gravitationspotentialen im BASE-Labor aufgrund der elliptischen Bahn der Erde um die Sonne. Dadurch konnte erstmals ein differentieller Test des WEP_cc mit Antiprotonen durchgeführt werden. Hiermit ließ sich das Problem einer möglichen Modifizierung des absoluten Werts des Gravitationspotentials durch eine WEP-verletzende Kraft umgehen. Die Forschenden erhielten eine differentielle Einschränkung |α_g,D−1|<0.030 der WEP_cc-Verletzung.

Die BASE-Kollaboration strebt für künftige Experimente eine noch höhere Sensitivität an. Hierzu sollen eine Verbesserung der Magnetfeldstabilität und -homogenität und die Entwicklung von transportablen Antiproton-Fallen, genannt BASE-STEP (STEP: Symmetry Tests in Experiments with Portable Antiprotons), beitragen. Solche transportablen Antiproton-Fallen ermöglichen künftig Experimente unter stabilen Bedingungen in Präzisionslaboren, entfernt von den Störeinflüssen in einer Beschleunigerhalle.

Weitere Informationen finden Sie im "Nature" Artikel ... >

Bitte lesen Sie auch die Pressemeldungen des MPIK (idw ), der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) , der Leibniz Universität Hannover , der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (STEP) und des CERN .

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