Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie mit Rekordgenauigkeit bestätigt

08.11.2016

Experiment am CERN erzielt höchste Genauigkeit bei der Bestimmung des Massenverhältnisses von Antiproton zu Elektron

Nach dem Standardmodell der Elementarteilchenphysik existiert zu jedem Teilchen ein Antiteilchen, das sich exakt gleich verhalten sollte. „Anti-Menschen“ in einer Anti-Welt würden somit die gleichen physikalischen Gesetze beobachten und überhaupt die gleichen Erfahrungen machen wie wir.


Schema des experimentellen Aufbaus, mit dem am CERN das Verhältnis von Antiproton- zu Elektron-Masse bestimmt wird.

Graphik: Masaki Hori

Diese Annahme ist jedoch nur schwer zu überprüfen, da es fast unmöglich ist, Messungen an Antimaterie vorzunehmen: wenn immer ein Antiteilchen auf sein materielles Gegenstück trifft, vernichten sich die beiden Teilchen gegenseitig unter Freisetzung von Energie.

Ein Team von Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching und der Universität Tokio (Japan), unter der Beteiligung der Universität Brescia (Italien) und des Wigner-Instituts (Budapest, Ungarn), hat jedoch einen Weg gefunden, diese Hürde zu nehmen. In einem Experiment am Europäischen Zentrum für Hochenergiephysik CERN in Genf (Schweiz) fangen die Wissenschaftler Antiprotonen in Heliumatomen ein. Da die Heliumatome aufgrund neuer Kühltechniken fast zum Stillstand kommen, lassen sich an den so gefangenen Antiprotonen hochgenaue spektroskopische Untersuchungen durchführen.

„Wir erreichen für das Verhältnis von Antiprotonen- zu Elektron-Masse eine Genauigkeit von 800 zu einer Billion (1012)“, sagt Dr. Masaki Hori, Leiter der Forschungsgruppe „Antimatter Spectroscopy“, die mit der Abteilung Laserspektroskopie von Prof. Theodor W. Hänsch am MPQ assoziiert ist. (Science, 4. November, 2016).

1997 bauten Forscher des MPQ in Zusammenarbeit mit weiteren europäischen, amerikanischen und japanischen Gruppen eine neue Anlage namens „Antiprotonen Decelerator“ (Abbremser) am CERN. Hier werden die in Teilchenkollisionen bei hohen Energien erzeugten Antiprotonen gesammelt, zirkulieren in einer ringförmigen Vakuumkammer von 190 Meter Umfang und werden dort schrittweise abgebremst, bevor sie den Experimenten zugeführt werden. Die sogenannte ASACUSA-Gruppe (für „Atomic Spectroscopy and Collisions using Slow Antiprotons“, genannt nach einem Stadtteil in Tokio), zu der Dr. Hori als einer der Projektleiter gehört, schickt die Antiprotonen auf ein Helium-Target. Gewöhnliches Helium besteht aus einen Atomkern, der von zwei Hüllenelektronen umrundet wird.

Wenn die Antiprotonen auf das Heliumgas treffen, ersetzen ungefähr 3% der negativ geladenen Antiteilchen eines der Hüllenelektronen. Das Antiproton befindet sich in einer hoch angeregten Umlaufbahn in einer Entfernung von etwa 100 Pikometern (10-10 Metern) von dem Heliumkern. Um seine Masse zu bestimmen, führen die Wissenschaftler hochpräzise spektroskopische Untersuchungen durch. Dazu bestrahlen sie die antiprotonischen Heliumatome mit Laserlicht, dessen Frequenz genau so eingestellt ist, dass das Antiproton von einer Energiebahn auf die nächste hüpft. Vergleicht man diese Frequenz mit theoretischen Berechnungen, dann lässt sich daraus die Masse des Antiprotons im Verhältnis zur Masse des Elektrons ableiten.

Die ständige thermische Bewegung der antiprotonischen Atome ruft jedoch prinzipielle Ungenauigkeiten hervor: Atome, die sich dabei auf den Laser zu bewegen, sehen aufgrund der Dopplerverschiebung eine andere Frequenz als Atome, die sich davon weg bewegen. Der große Fortschritt, über den das ASACUSA-Team jetzt in der Zeitschrift Science berichtet, wurde durch ein neues Kühlverfahren erzielt, das die Atome auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt, zwischen 1,5 und 1,7 Kelvin, bringt. „ Wir benutzten dabei die Methode der „Buffergas-Kühlung“, erklärt Dr. Hori.

„Es ist überraschend, dass dieses Verfahren überhaupt funktioniert. Denn normalerweise würde man annehmen, dass die Atome des Buffergases, wenn sie mit den zur Hälfte aus Antimaterie bestehenden Heliumatomen zusammenstoßen, annihilieren. Hier wird die Annihilation aber dadurch verhindert, dass die Antiprotonen von dem verbliebenen Hüllenelektron sicher abgeschirmt werden.“

Die neuen Messungen, die auf zwischen 2010 und 2104 genommenen Daten von ca. 2 Milliarden Atomen beruhen, zeigten, dass das Antiproton 1836.1526734(15) Mal so schwer ist wie das Elektron (die Zahl in der Klammer entspricht der Ungenauigkeit einer Standardabweichung). Dieser Wert steht in exzellenter Übereinstimmung mit einer kürzlich erfolgten Messung des Verhältnisses von Proton- zu Elektron-Masse.

Die Physiker glauben, dass in der Natur eine fundamentale Symmetrie herrscht, die sogenannte C(harge)P(arity)T(ime) Invarianz (das steht für Ladungskonjugation, Raumspiegelung und Zeitumkehr). Das sogenannte CPT-Theorem postuliert, dass eine „Antiwelt“, in der alle Materie im Universum durch Antimaterie ersetzt, rechts und links vertauscht und überdies der Fluss der Zeit umkehrt wird, von unserer realen Welt nicht zu unterscheiden ist. Könnte experimentell ein noch so kleiner Unterschied zwischen Materie und Antimaterie festgestellt werden, so würde das einen Bruch dieser fundamentalen Symmetrie bedeuten.

Und diese Beobachtung könnte vielleicht zu einer Erklärung führen, warum das Universum, in dem wir leben, vollständig aus Materie besteht, obwohl doch bei seiner Entstehung im großen Urknall Materie und Antimaterie in gleicher Menge erzeugt wurden. „Wir sind zuversichtlich, dass wir die Genauigkeit unserer Messungen noch steigern können. Dafür wollen wir die Buffergas-Kühlung mit der Zwei-Photon-Spektroskopie kombinieren, die schon für sich die durch den Dopplereffekt hervorgerufenen Ungenauigkeiten reduziert“, resümiert Dr. Hori. Zu diesem Zweck wird am CERN schon das nächste Experiment mit Namen ELENA geplant. Olivia Meyer-Streng

Originalveröffentlichung:
Masaki Hori, Hossein Aghai-Khozani, Anna Sótér, Daniel Barna, Andreas Dax, Ryugo Hayano, Takumi Kobayashi, Yohei Murakami, Koichi Todoroki, Hiroyuki Yamada, Dezső Horváth, Luca Venturelli
Buffer-gas cooling of antiprotonic helium to 1.5-1.7 K, and
antiproton-to-electron mass ratio
Science, 4. November 2016, DOI: 10.1126/science.aaf6702

Kontakt:
Dr. Masaki Hori
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Str. 1, 85748 Garching b. München
Telefon: +49 (0)89 32 905 - 268
E-Mail: masaki.hori@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 -213
E-Mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng | Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Weitere Informationen:
http://www.mpq.mpg.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Geometrie eines Elektrons erstmals bestimmt
23.05.2019 | Universität Basel

nachricht Galaxien als „kosmische Kochtöpfe“
23.05.2019 | Universität Heidelberg

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: Geometrie eines Elektrons erstmals bestimmt

Physiker der Universität Basel können erstmals zeigen, wie ein einzelnes Elektron in einem künstlichen Atom aussieht. Mithilfe einer neu entwickelten Methode sind sie in der Lage, die Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons im Raum darzustellen. Dadurch lässt sich die Kontrolle von Elektronenspins verbessern, die als kleinste Informationseinheit eines zukünftigen Quantencomputers dienen könnten. Die Experimente wurden in «Physical Review Letters» und die Theorie dazu in «Physical Review B» veröffentlicht.

Der Spin eines Elektrons ist ein vielversprechender Kandidat, um als kleinste Informationseinheit (Qubit) eines Quantencomputers genutzt zu werden. Diesen Spin...

Im Focus: The geometry of an electron determined for the first time

Physicists at the University of Basel are able to show for the first time how a single electron looks in an artificial atom. A newly developed method enables them to show the probability of an electron being present in a space. This allows improved control of electron spins, which could serve as the smallest information unit in a future quantum computer. The experiments were published in Physical Review Letters and the related theory in Physical Review B.

The spin of an electron is a promising candidate for use as the smallest information unit (qubit) of a quantum computer. Controlling and switching this spin or...

Im Focus: Optische Superlinsen aus Gold

Oldenburger Forscher entwickeln neues optisches Mikroskop mit extrem hoher Auflösung

Eine kegelförmige Spitze aus Gold bildet das Kernstück eines neuen, extrem leistungsfähigen optischen Mikroskops, das Oldenburger Wissenschaftler in der...

Im Focus: Impfen über die Haut – Gezielter Wirkstofftransport mit Hilfe von Nanopartikeln

Forschenden am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam ist es gelungen Nanopartikel so weiterzuentwickeln, dass sie von speziellen Zellen der menschlichen Haut aufgenommen werden können. Diese sogenannten Langerhans Zellen koordinieren die Immunantwort und alarmieren den Körper, wenn Erreger oder Tumore im Organismus auftreten. Mit dieser neuen Technologieplattform könnten nun gezielt Wirkstoffe, zum Beispiel Impfstoffe oder Medikamente, in Langerhans Zellen eingebracht werden, um eine kontrollierte Immunantwort zu erreichen.

Die Haut ist ein besonders attraktiver Ort für die Applikation vieler Medikamente, die das Immunsystem beeinflussen. Die geeigneten Zielzellen liegen in der...

Im Focus: Chaperone halten das Tumorsuppressor-Protein p53 in Schach: Komplexer Regelkreis schützt vor Krebs

Über Leben und Tod einer Zelle entscheidet das Anti-Tumor-Protein p53: Erkennt es Schäden im Erbgut, treibt es die Zelle in den Selbstmord. Eine neue Forschungsarbeit an der Technischen Universität München (TUM) zeigt, dass diese körpereigene Krebsabwehr nur funktioniert, wenn bestimmte Proteine, die Chaperone, dies zulassen.

Eine Krebstherapie ohne Nebenwirkungen, die gezielt nur Tumorzellen angreift – noch können Ärzte und Patienten davon nur träumen. Dabei hat die Natur ein...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Kindermediziner tagen in Leipzig

22.05.2019 | Veranstaltungen

Jubiläumskongress zur Radiologie der Zukunft

22.05.2019 | Veranstaltungen

Wissensparcour bei der time4you gestartet

22.05.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Geometrie eines Elektrons erstmals bestimmt

23.05.2019 | Physik Astronomie

Galaxien als „kosmische Kochtöpfe“

23.05.2019 | Physik Astronomie

Auflösen von Proteinstau am Eingang von Mitochondrien

23.05.2019 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics