Physiker vergleichen Proton und Antiproton so präzise wie nie zuvor

Auf der Suche nach dem Ursprung unserer Existenz haben Cern-Physiker Protonen und Antiprotonen in Rekordpräzision vermessen: So genau wie niemals zuvor verglichen sie die Ladungs-Masse-Verhältnisse der Elementarteilchen.

Bei der Suche nach einem noch so winzigen Unterschied zwischen Materie und Antimaterie wurden die Forschenden des «BASE»-Experiments am Teilchenforschungszentrum Cern zwar nicht fündig. Aber sie haben ihren eigenen Rekord geknackt: Mit einer um den Faktor 4,3 präziseren Messgenauigkeit als noch im Jahr 2015 zeigten sie, dass die Ladungs-Masse-Verhältnisse im Proton und Antiproton auf 11 Nachkommastellen identisch sind. Die Messunsicherheit lag bei 0,000›000›000’016 (oder 16 Billionstel Bruchteilen).

Zudem sei das Ladungs-Masse-Verhältnis die nun am genaueste vermessene Eigenschaft des Antiprotons, sagte Stefan Ulmer, Sprecher der «BASE»-Kollaboration, gemäss einer Mitteilung des Cern vom Mittwoch. Die Ergebnisse veröffentlichte das Team im Fachmagazin «Nature».

Störungsfreie Messungen

Die Vermessung der Eigenschaften von Elementarteilchen führen die Forschenden mit einer sogenannten Penning-Falle durch, wo sich geladene Teilchen in einem Magnetfeld einfangen lassen.

Um die unvergleichlich hohe Messpräzision zu erreichen, verbesserten sie nicht nur das Experiment an sich, sondern nutzten auch die Gunst der Stunde: Während der Messkampagne zwischen Dezember 2017 und Mai 2019 war die Antimaterie-Fabrik, wo die Antiprotonen produziert werden, teilweise geschlossen. Die ruhigen und störungsfreien Zeitfenster wurden für die Präzisionsmessungen – durchgeführt mit Antiprotonen, die die Forschenden quasi an Lager hatten – genutzt.

Fakt ist: Je präziser die Messung, desto kleinere Unterschiede lassen sich aufspüren. Deshalb wurde das BASE-Experiment bereits aufgerüstet, indem das Magnetfeld der Penning-Falle weiter stabilisiert und die Frequenzmesstechnik verbessert wurde. Eine Verbesserung der Präzision um einen Faktor 5 müsste so mindestens noch möglich sein, sagte Physiker Ulmer im Gespräch mit der Nachrichtenagentur Keystone-SDA.

Rätsel bleibt ungelöst

Mit «BASE», dem Baryon-Antibaryon-Symmetrie-Experiment, versucht das Team eines der grössten Rätsel der Physik zu knacken: Worauf beruht das offenkundige Ungleichgewicht zwischen Materie und Anti-Materie im Universum? Das Standardmodell der Teilchenphysik, die bis anhin bewährteste Theorie zur Beschreibung der Natur, weiss darauf bislang keine Antwort.

Im Urknall ist genauso viel Materie wie Antimaterie entstanden. Treffen die Teilchen aufeinander, vernichtet sich das Paar. Daher dürften Sterne, Planeten und die Menschheit eigentlich gar nicht existieren. Tun sie offensichtlich aber. Ein winziger Unterschied im Verhalten von Teilchen und Antiteilchen könnte den Überschuss an Materie erklären.

Bisher blieb die Suche jedoch erfolglos. So zeigten frühere Experimente etwa auch, dass das magnetische Moment im Proton – zumindest bei der damaligen Messgenauigkeit – genau gleich stark ist wie im Antiproton.

Somit bleibt das Standardmodell zwar «unglaublich erfolgreich», aber vorerst dennoch «eklatant unvollständig», wie die Forschenden die Theorie bezeichnen.

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04203-w