Bislang genauester Vergleich zwischen Protonen und Antiprotonen

Die BASE-Kollaboration am CERN hat den bislang genauesten Vergleich zwischen Protonen und Anti­protonen durch­geführt: Die Verhältnisse von Ladung zu Masse von Anti­protonen und Protonen sind auf elf Stellen identisch. Diese neue Messung verbessert die Genauigkeit des bisher besten Werts um mehr als einen Faktor vier. Der über einen Zeitraum von eineinhalb Jahren gesammelte Datensatz ermöglicht außerdem einen strengen Test des schwachen Äquivalenz­prinzips, das besagt, dass sich Materie und Antimaterie unter Schwerkraft gleich verhalten.

Wir verdanken unsere Existenz einer gebrochenen Symmetrie in der besten funda­mentalen Theorie, die es gibt, dem Standard­modell der Teilchen­physik. Einer der Eckpfeiler des Standard­modells ist die Invarianz bei Umkehr von Ladung, Parität und Zeit. Auf die Gleichungen des Standard­modells angewandt, verwandelt die CPT-Trans­for­mation Materie in Antimaterie. Als Folge der CPT-Symmetrie haben Paare von Materie und Antimaterie die gleichen Massen, Ladungen und magnetischen Momente, die beiden letzteren mit entgegen­gesetztem Vorzeichen.

Eine weitere Folge von CPT: Trifft ein Teilchen auf sein Antiteilchen, vernichten sie sich zu reiner Energie, was in zahlreichen Labor­experi­menten bestätigt wurde. In diesem Sinne ist die Existenz unseres Universums keines­wegs selbst­ver­ständlich. Wir haben Grund zu der Annahme, dass beim Urknall Materie und Antimaterie in gleichen Mengen entstanden sind. Warum nur die Materie übrig blieb, aus der unser Sonnen­system und die Himmels­körper im Universum bestehen, ist noch ungeklärt.

Ein weiteres heißes Thema in der modernen Physik ist die Frage, ob sich Materie und Antimaterie unter Schwerkraft gleich verhalten. Die BASE-Wissen­schaftler haben die Ladung-zu-Masse-Verhältnisse von Anti­protonen und Protonen sowie – während des Umlaufs der Erde um die Sonne – die Ähnlichkeit von Uhren aus Antimaterie und Materie verglichen. Sie sind also beiden Fragen gleich­zeitig mit einer Messung nachgegangen.

Für seine hochpräzisen Unter­suchungen verwendete das Team eine Penning-Falle, also einen elektro­magnetischen Behälter, der ein einzelnes geladenes Teilchen speichern und nachweisen kann. Ein Teilchen in einer solchen Falle schwingt mit einer charakte­ristischen Frequenz, die durch seine Masse definiert ist. Ein Abhören der Schwingungs­frequenzen von Anti­protonen und Protonen in derselben Falle ermöglicht es, deren Massen zu vergleichen.

„Durch Beladen eines zylindrischen Stapels mehrerer solcher Penning-Fallen mit Anti­protonen und negativen Wasser­stoff­ionen konnten wir einen Massen­vergleich innerhalb von nur vier Minuten durch­führen, fünfzig Mal schneller als bei früheren Proton/Antiproton-Vergleichen anderer Gruppen“, erläutert Stefan Ulmer, der Sprecher der BASE-Kollaboration. „Seit unseren früheren Messungen haben wir außerdem den Versuchs­aufbau technisch erheblich verbessert. Das erhöht die Stabilität des Experiments und verringert systematische Verschiebungen in den Messwerten.“

Mit diesem optimierten Instrument hat das BASE-Team im Verlauf von eineinhalb Jahren einen Datensatz von etwa 24.000 einzelnen Frequenz­vergleichen erfasst. Durch Kombination aller Mess­ergebnisse fanden die Forscher, dass das Ladung-zu-Masse-Verhältnis von Antiprotonen und Protonen identisch ist, und zwar mit einer Genauigkeit von 16 Teilen in einer Billion. Das verbessert die Genauigkeit der bisher besten Messung – ebenfalls von BASE – um mehr als einen Faktor vier: ein erheblicher Fortschritt in der Präzisions­physik.

Ein Teilchen, das in einer Penning-Falle schwingt, kann man als „Uhr“ betrachten, ein Antiteilchen als „Anti-Uhr“. Bei starker Gravitation gehen die Uhren langsamer. Während der Langzeit­messung von eineinhalb Jahren war die Erde auf ihrer elliptischen Bahn unter­schiedlich starker Anziehungs­kraft der Sonne ausgesetzt. Falls Antimaterie und Materie verschieden auf Schwerkraft reagierten, würden die Materie- und Antimaterie-Uhren entlang der Flugbahn der Erde unter­schiedliche Frequenz­verschiebungen erfahren. Die BASE-Wissen­schaftler konnten bei der Analyse ihrer Daten aber keine derartige Frequenz­anomalie feststellen. So konnten sie erstmals direkte und weitgehend modell­unabhängige Grenzen für ein anomales Verhalten von Antimaterie unter Schwerkraft setzen – oder anders ausgedrückt: im Rahmen der Mess­genauig­keit die Gültigkeit des schwachen Äquivalenz­prinzips für Uhren bestätigen.

Um mit noch höherer Präzision messen zu können, müssen die Anti­protonen aus der Beschleuniger­umgebung der Antimaterie-Fabrik des CERN in ein ruhiges Labor gebracht werden. Dazu konstruiert das BASE-Team derzeit die transportable Anti­protonen­falle BASE-STEP. Zunächst ist geplant, die Anti­protonen in ein anderes Labor am CERN zu verlagern. Wenn das geklappt hat, könnten die Anti­protonen an verschiedene Fallenlabors verteilt werden. Die verbesserten Mess­bedingungen werden die Genauigkeit weiter steigern und hoffentlich zu unserem Verständnis des Ungleich­gewichts zwischen Materie und Antimaterie beitragen.

MPIK / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. J. Borchert et al.: Comparison of the Antiproton-to-Proton q/m Ratios at16 Parts per Trillion Precision, Nature 601, 53 (2022); DOI: 10.1038/s41586-021-04203-w
• BASE – Baryon Antibaryon Symmetry Experiment, CERN – Europäische Organisation für Kernforschung, Meyrin, Schweiz

Weitere Beiträge

• K. Blaum, S. Sturm und S. Ulmer, In die Falle gegangen, Physik Journal, Januar 2017, S. 31 (PDF)
• W. Quint, Präzision am Antiproton, Physik Journal, Juni 2013, S. 17 (PDF)