Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Magnetisches Moment des Protons mit unvergleichlich hoher Genauigkeit gemessen

30.05.2014

Physikern gelingt erste hochpräzise direkte Messung einer fundamentalen Eigenschaft des Protons – Ergebnisse liefern Beitrag zum Verständnis der Materie-Antimaterie-Asymmetrie

Eines der großen Rätsel in der Physik ist das Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie in unserem Universum. Bislang ist unklar, weshalb sich nach dem Urknall Materie und Antimaterie nicht vollständig gegenseitig vernichtet haben, sondern ein Überschuss an Materie und damit die uns bekannte Welt entstanden ist. Physikalische Experimente an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben nun eine Lösung dieses Problems nähergebracht.


Doppelpenningfalle, in der das magnetische Moment des Protons gemessen wurde. Die Doppelpenningfalle besteht aus vergoldeten zylindrischen Fallenelektroden; die einzelnen Fallenelektroden werden durch Saphirringe voneinander isoliert. Während der Messung befindet sich die Falle im Ultra-hoch-Vakuum. Rechts im Bild ist das äußere Gehäuse eines Nachweisinstruments zur Beobachtung einzelner Protonen zu sehen. Die gesamte Konstruktion ist circa 20 cm lang.

Foto: Andreas Mooser, JGU


Das schwingende Proton (rot) erzeugt einen winzigen Strom, den eine hochempfindliche Elektronik erfasst. Das magnetische Moment des Protons ist als roter Pfeil eingezeichnet, die grünen Linien zeichnen das Magnetfeld in der Falle nach.

Abb.: Georg Schneider, JGU

Dabei ist es zum ersten Mal gelungen, das magnetische Moment des Protons direkt mit höchster Präzision zu messen. Das magnetische Moment ist eine fundamentale Eigenschaft von Protonen, jenen Teilchen, die zusammen mit Neutronen den Atomkern bilden. Die verwendete Methode eignet sich grundsätzlich auch dafür, das magnetische Moment des Antiprotons mit vergleichbar hoher Genauigkeit zu messen, sodass die Materie-Antimaterie-Asymmetrie getestet werden kann. Versuche dazu werden derzeit am Genfer Forschungszentrum CERN aufgebaut.

Jahrelange Vorarbeiten haben den Weg für die hochpräzisen Messungen geebnet, die alle vergleichbaren Versuche in den Schatten stellen. Daran beteiligt waren außer der JGU auch die GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt, das Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg und die japanische Forschungseinrichtung RIKEN. 

9 ermittelt werden. mal genauer als Messungen aus dem Jahr 2012, die unabhängig voneinander an der JGU und der Harvard University durchgeführt wurden, und dreimal genauer als eine indirekte Ermittlung aus dem Jahr 1972.

„Das Proton ist mit einem winzigen Stabmagneten zu vergleichen. Sein magnetisches Moment ist um 24 Größenordnungen, das ist ein Millionstel eines Milliardstels eines Milliardstels, schwächer als das einer typischen Kompassnadel. Uns ist nun die erste direkte Messung dieser Größe gelungen“, sagt Andreas Mooser, Erstautor der Studie aus der Arbeitsgruppe von Univ.-Prof. Dr. Jochen Walz, zu dem Experiment.

Der Schlüssel für die hochpräzisen Messungen liegt in der Verwendung einer doppelten Penningfalle, einer elektromagnetischen Teilchenfalle, in der ein einzelnes freies Proton gefangen und vermessen wird: Eine Analysefalle dient dazu, Spin-Quantensprünge des Protons zu detektieren, in einer Präzisionsfalle werden präzise Frequenzmessungen durchgeführt.

In der Vergangenheit wurden direkte Messungen des magnetischen Moments einzelner Teilchen mithilfe von Penningfallen sehr erfolgreich bei Elektronen und ihren Antiteilchen, den Positronen, durchgeführt. Die Anwendung des Schemas auf das Proton stellt jedoch eine große Herausforderung dar, weil das magnetische Moment des Protons etwa 660-mal kleiner ist als das des Elektrons. Die Apparatur muss für diesen Zweck also wesentlich empfindlicher sein. Der Kollaboration ist es nun gelungen, eine solche hochempfindliche Doppelpenningfalle zu entwickeln und die von langer Hand geplanten Messungen durchzuführen.

Anders als die direkten Messungen in Mainz beruhen die bisher genausten Angaben aus dem Jahr 1972 auf einer indirekten Methode, bei der die Hyperfeinstruktur von atomarem Wasserstoff vermessen wurde und anschließend Korrekturrechnungen erfolgten.

Das Prinzip der direkten Messung mittels Doppelpenningfalle kann ebenso auf das Antiproton angewendet werden. „Wir haben dann die Möglichkeit, die beiden Zahlen zu vergleichen und die fundamentalen Voraussagen des Standardmodells zu testen“, erklärt Stefan Ulmer, Sprecher der BASE-Kollaboration, die derzeit am CERN in Genf ein entsprechendes Experiment aufbaut.

Die Anwendung der Doppelpenningfallen-Technik auf das Antiproton könnte die Genauigkeit von Messungen, die ein Teil der ATRAP-Kollaboration im Jahr 2013 durchgeführt hat, um mindestens den Faktor 1000 verbessern. Würden sich die Messwerte unterscheiden, wäre dies ein wichtiger Schritt zum Verständnis der im Universum beobachteten Materie-Antimaterie-Asymmetrie.

Veröffentlichung:
Andreas Mooser et al.
Direct high-precision measurement of the magnetic moment of the proton
Nature, 29. Mai 2014
DOI: 10.1038/nature13388

Andreas Mooser et al.
Resolution of Single Spin Flips of a Single Proton
Physical Review Letters, 4. April 2013
DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.140405

Weitere Informationen:
Dr. Andreas Mooser
Quanten-, Atom- und Neutronenphysik (Quantum)
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU)
D 55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-25953
Fax +49 6131 39-23438
E-Mail: mooser@uni-mainz.de
http://www.quantum.physik.uni-mainz.de/members__ag_walz__mooser.html.de

Weitere Informationen:

http://www.quantum.physik.uni-mainz.de/ag_walz__index.html.de ;
http://www.nature.com/nature/journal/v509/n7502/full/nature13388.html - Abstract ;
http://www.uni-mainz.de/presse/46320.php - Pressemitteilung „Quantensprung: Erstmals magnetische Eigenschaft an einem einzelnen Proton direkt beobachtet“ ;
http://base.web.cern.ch/

Petra Giegerich | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie
06.12.2016 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

nachricht Neue Perspektiven durch gespiegelte Systeme
05.12.2016 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Im Focus: Significantly more productivity in USP lasers

In recent years, lasers with ultrashort pulses (USP) down to the femtosecond range have become established on an industrial scale. They could advance some applications with the much-lauded “cold ablation” – if that meant they would then achieve more throughput. A new generation of process engineering that will address this issue in particular will be discussed at the “4th UKP Workshop – Ultrafast Laser Technology” in April 2017.

Even back in the 1990s, scientists were comparing materials processing with nanosecond, picosecond and femtosesecond pulses. The result was surprising:...

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Im Focus: Shape matters when light meets atom

Mapping the interaction of a single atom with a single photon may inform design of quantum devices

Have you ever wondered how you see the world? Vision is about photons of light, which are packets of energy, interacting with the atoms or molecules in what...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher entwickeln Unterwasser-Observatorium

07.12.2016 | Biowissenschaften Chemie

HIV: Spur führt ins Recycling-System der Zelle

07.12.2016 | Biowissenschaften Chemie

Mehrkernprozessoren für Mobilität und Industrie 4.0

07.12.2016 | Informationstechnologie