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18.01.2017:
Magnetische Kraft von einzelnen Antiprotonen mit höchster Genauigkeit bestimmt

Kein Unterschied zwischen Protonen und Antiprotonen messbar

BASE-Experiment am Antiprotonen-Entschleuniger am CERN in Genf: Zu sehen ist die Kontrollperipherie, der supraleitende Magnet, in dem sich die Penningfalle befindet, und das Antiproton-Transfer-Strahlrohr. Foto: Stefan Sellner, RIKEN/BASE

BASE-Penningfallensystem, das zur Messung des magnetischen Moments des Antiprotons verwendet wurde. Foto: Georg Schneider, JGU/BASE

So offensichtlich es ist, dass Materie existiert, ebenso rätselhaft ist noch immer ihre Herkunft. Denn eigentlich hätte nach den Prinzipien der Teilchenphysik bei der Entstehung des Weltalls genauso viel Materie wie Antimaterie gebildet werden müssen – und beide hätten sich in einem Prozess, den Physiker Annihilation oder Paarvernichtung nennen, ausgelöscht. Tatsächlich zeigt unser Universum aber ein offensichtliches Ungleichgewicht zugunsten von Materie. Wissenschaftler suchen daher nach dem kleinen Unterschied zwischen einem Teilchen und seinem Antiteilchen, der die Existenz von Materie erklären könnte. Die BASE-Kollaboration am Forschungszentrum CERN hat bei dieser Suche neue Maßstäbe gesetzt, indem sie eine wichtige Eigenschaft des Antiprotons mit höchster Genauigkeit vermessen konnte. Der g-Faktor, ein Maß für das magnetische Moment, wurde dabei gegenüber früheren Messungen um den Faktor sechs verbessert.

Die Idee, dass so etwas wie Antimaterie existieren müsste, kam Ende der 1920er Jahre auf. Nur wenige Jahre später wurden erstmals Positronen, die Antiteilchen von Elektronen, entdeckt. Während Positronen auf der Erde natürlicherweise vorkommen, müssen Antiprotonen, die Antiteilchen von Protonen, allerdings künstlich erzeugt werden. Der Speicherring „Antiproton Decelerator“ des CERN produziert gekühlte Antiprotonen in großer Menge für ganz unterschiedliche Antimaterie-Studien. Bei den Experimenten der BASE-Gruppe, an der die Abteilung „Gespeicherte und Gekühlte Ionen“ des Max-Planck-Instituts für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg beteiligt ist, werden tiefgekühlte Antiprotonen einzeln in einer elektromagnetischen Teilchenfalle untersucht.

Der Aufbau besteht aus drei Penningfallen: Eine Vorratsfalle bewahrt eine Wolke von Antiprotonen für den Versuch auf und liefert einzelne Teilchen an eine Falle, die zur kontinuierlichen Messung des Magnetfelds dient, und an die eigentliche Analysefalle. Die Analysefalle wiederum wird von einer extrem großen „magnetischen Flasche“ überlagert, einem Magnetfeld mit einer Inhomogenität von 300 Kilotesla pro Quadratmeter.

Diese ultrastarke magnetische Flasche ist notwendig, um überhaupt die Spin-Flip-Technik anwenden zu können, die der Nobelpreisträger Hans Georg Dehmelt für die Vermessung des magnetischen Moments des Elektrons und des Positrons entwickelt hat. „Die Herausforderung ist in unserem Fall aber wesentlich größer, weil das magnetische Moment des Protons und des Antiprotons im Vergleich dazu etwa 660 Mal kleiner ist“, schreiben die BASE-Wissenschaftler in einer Veröffentlichung von Nature Communications. Das Experiment zur Bestimmung der magnetischen Eigenschaften des Protons hatte Prof. Dr. Klaus Blaum im Rahmen seiner Helmholtz-Hochschul-Nachwuchsgruppe 2005 in Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Jochen Walz an der Universität Mainz ins Leben gerufen. Mit einer Hochpräzisionsmessung des Protons aus dem Jahr 2014 nimmt die Arbeitsgruppe unangefochten die Spitzenstellung auf diesem Forschungsfeld ein.

G-Faktor mit sechsfach höherer Genauigkeit gemessen

Die Vermessung des Antiprotons folgt diesem Beispiel. Der g-Faktor wurde anhand von sechs Messungen mit einer Genauigkeit von 0,8 Millionstel bestimmt. Der Wert von 2,7928465(23) ist sechs Mal genauer als der bisherige Rekordhalter einer anderen CERN-Forschungsgruppe aus dem Jahr 2013. Noch im Jahr 2011 war das magnetische Moment des Antiprotons nur auf drei Nachkommastellen genau bekannt. Das neue Ergebnis stimmt innerhalb der erreichten experimentellen Unsicherheit mit dem 2014 in Mainz gemessenen g-Faktor des Protons von 2,792847350(9) überein. „Das bedeutet, dass wir innerhalb der experimentellen Messunsicherheit keinen Unterschied zwischen Protonen und Antiprotonen ausmachen können. Auf diesem Niveau stimmt unsere Messung mit den Erwartungen des Standardmodels überein“, erklärt Stefan Ulmer, Sprecher der BASE-Kollaboration am CERN und früherer Mitarbeiter in der AG Walz.

Proton und Antiproton erscheinen somit weiterhin spiegelsymmetrisch und bieten vorerst noch keinen Ansatzpunkt für eine Erklärung, weshalb Materie überhaupt existiert und sich nicht in den ersten Augenblicken des Urknalls zerstrahlt hat. Die BASE-Kollaboration will in Zukunft aber noch einen Schritt weiter gehen und die Präzision ihrer Messungen weiter erhöhen, indem sie mit einer Doppelpenningfalle arbeitet., Diese schwierigere Technik kam für die Mainzer Proton-Messungen 2014 zum Einsatz und bietet eine tausendfach höhere Genauigkeit.

„Die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie ist so offenkundig, irgendetwas muss passiert sein, das im Rahmen der modernen Physik bisher nicht verstanden ist. Unsere große Motivation ist es, Ansätze zu finden, die zur Lösung dieses spannenden Rätsels beitragen“, erklärt Ulmer zu den weiteren Vorhaben. Außer dem Max-Planck-Institut für Kernphysik sind an den Forschungsprojekten auch das japanische Forschungszentrum RIKEN, die Johannes Gutenberg-Universität Mainz, die Leibniz Universität Hannover und das GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt beteiligt.

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Originalveröffentlichung:

Hiroki Nagahama et al.
Sixfold improved single particle measurement of the magnetic moment of the antiproton.
Nature Communications 8, 14084 (2017),  DOI: 10.1038/ncomms14084

 BASE-Kollaboration am CERN

Abteilung Blaum am MPIK

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Kontakt:

Prof. Dr. Klaus Blaum, MPIK
Tel.: 06221 516850
E-Mail:  klaus.blaum(at)mpi-hd.mpg.de

Dr. Stefan Ulmer, Sprecher BASE-Kollaboration, CERN
Tel. +41 75 411 9072
E-Mail:  stefan.ulmer(at)cern.ch

Prof. Dr. Jochen Walz, Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU)
Tel. 06131 39-25976
E-Mail:  Jochen.Walz(at)uni-mainz.de

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