Rekordmessungen an Materie und Antimaterie

Bisher genaueste Massenvergleiche von Proton und Antiproton zeigen keinen Unterschied

Dass es unsere Welt gibt, ist alles andere als selbstverständlich. Denn im Urknall ist genauso viel Materie wie Antimaterie entstanden. Warum nur die Materie übrig geblieben ist, die sich heute etwa in den Himmelskörpern des Universums findet, möchten Forscher unter anderem des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik in einem japanisch-deutschen Kooperationsprojekt namens Baryon Antibaryon Symmetry Experiment (BASE) klären.

In ihren Experimenten am Cern in der Schweiz haben die Wissenschaftler festgestellt, dass die Masse von Proton und Antiproton bis auf elf Nachkommastellen identisch ist. Sie setzen damit ein neues Limit für die Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie. Jetzt suchen die BASE-Forscher nach Gründen für den Überschuss der Materie, indem sie in einem nächsten Schritt die magnetischen Momente von Protonen und Antiprotonen vergleichen.

[note Etwa 20 lang ist die Penningfalle, in der Forscher des Base-Projektes Hydridionen und Antiprotonen fangen und mit 30 Millionen Umläufen pro Sekunde auf einer Kreisbahn rotieren lassen. Aus dem genauen Wert der Umlauffrequenz ermitteln sie die Massen des Protons und des Antiprotons. – Foto © Georg Schneider, Base-Kollaboration]

Das Weltbild der Teilchenphysiker ist nicht perfekt, und sie sehen derzeit nicht, wie sie die Unzulänglichkeiten beheben könnten.  Zwar kann das Standardmodell der Teilchenphysik die Existenz aller bekannten Elementarteilchen und viele ihrer Beziehungen untereinander erklären, manche Beobachtungen aber passen dazu einfach nicht. So begründet das Standardmodell nicht die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie: Obwohl sie zu Beginn des Universums in gleichen Mengen entstanden sind und sich größtenteils gegenseitig wieder ausgelöscht haben – denn das geschieht, wenn Materie auf Antimaterie trifft –, ist heute noch reichlich Materie im Universum vorhanden.

Also wollen Physiker das theoretische Gebäude des Standardmodells so ausbauen oder gar neu errichten, dass es nicht länger an verschiedenen Stellen wackelt. Daher suchen sie zunächst nach detaillierten experimentellen Hinweisen auf die konkreten Schwachstellen, zum Beispiel nach Unterschieden zwischen Materie und Antimaterie. Das ist das Ziel von BASE. Baryon und Antibaryon nennen Physiker Teilchen, die sich wie das Proton und Antiproton aus drei Elementarteilchen, nämlich Quarks beziehungsweise Antiquarks zusammensetzen.

Folgt: Vier Mal genauere Messung als zuvor möglich

Auf ihrer Suche nach noch so kleinen Differenzen zwischen Materie und Antimaterie haben die Base-Forscher nun das Verhältnis von Ladung zu Masse im Proton und Antiproton gemessen und haben die beiden Teilchen somit gewissermaßen gewogen. Damit haben sie den Vergleich zwischen Materie und Antimaterie in diesem System um den Faktor vier verfeinert. „Wir haben festgestellt, dass das Verhältnis von Ladung zu Masse bis auf 69 Billionstel Bruchteile identisch ist“, sagt Stefan Ulmer, Wissenschaftler am Cern und Sprecher des Base-Projektes.

Mit dem Ergebnis bestätigen die Physiker Theorien, denen zufolge es zwischen Materie und Antimaterie keine Masseunterschiede geben dürfte. Fänden die Forscher eine Massedifferenz,  stellte das nicht nur das Standardmodell in Frage, sondern auch noch weitergehende Theorien der Teilchenphysik. „Aber die Natur ist immer für Überraschungen gut“, sagt Klaus Blaum, Direktor am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg und einer der Partner von Base. „Daher müssen wir alle Möglichkeiten nutzen, die Modelle so präzise wie möglich zu überprüfen.“

Um das Proton und das Antiproton so extrem genau zu wiegen, haben sich die Forscher eine ausgeklügelte Methode einfallen lassen: Sie fangen die geladenen Teilchen in einer Penningfalle, in der die Partikel durch elektrische und magnetische Felder festgehalten werden. Das Magnetfeld zwingt die Teilchen dabei auf eine Kreisbahn, die ein Partikel etwa 30 Millionen Mal pro Sekunde durchläuft. Zum Vergleich: Auf einem Kettenkarussell brauchen wir fünf bis zehn Sekunden für einen einzigen Umlauf, und bei schnelleren Umdrehungen würde uns auch schnell schlecht.

Folgt: Umlauf-Frequenz ergibt Verhältnis Ladung-Masse