CPT-Symmetrie auch bei Deuterium und Helium-3

In einer aufwändigen Messung an ALICE (A Large Ion Collider Experiment) am Kernforschungszentrum CERN in Genf hat ein Team aus mehreren Hundert internationalen Wissenschaftlern die Eigenschaften von leichten Atomkernen und ihren Antikernen vergleichend untersucht. An dem Versuchs­aufbau waren von der Universität Tübingen Hans Rudolf Schmidt, Jens Wiechula (jetzt Universität Frankfurt) und Benjamin Hess beteiligt. Mit größerer Präzision als bisher hat das Wissenschaftler­team gemessen, dass sich leichte Atomkerne und ihre Antikerne genau symmetrisch zueinander verhalten.

Damit Antimaterie entstehen kann, muss normale Materie im Experiment auf über eine Billion Grad Celsius aufgeheizt werden. Das ALICE-Team hat seine Messungen an Deuterium-Kernen, die neben dem Proton ein zusätzliches Neutron enthalten, und ihren Antikernen durchgeführt. Außerdem untersuchten die Wissenschaftler Helium-3-Kerne und ihre Gegenstücke. Die Wissenschaftler bestimmten jeweils das Verhältnis von Masse zu Ladung. Messungen zu den gleichen Eigenschaften wurden zuvor mit großer Präzision an Protonen und Antiprotonen durchgeführt, die bereits eine genaue Symmetrie ergeben hatten. Diese Erkenntnisse haben die Wissenschaftler mit der neuen ALICE-Studie weitergetrieben, denn im Atomkern sind die Protonen mit Neutronen verbunden, sodass sich Unterschiede in der Bindung gegenüber den entsprechenden Antiprotonen zu den Antineutronen ergeben könnten.

Die technischen Herausforderungen bei einem solchen Experiment sind im Großen wie im Kleinen riesig: Einerseits müssen mit Hilfe immenser Energien bei der Kollision von Blei-Ionen die leichten Antikerne erzeugt werden, andererseits müssen die Detektoren bei der Messung der Kerne und Antikerne verschwindend kleine Energie­mengen präzise erfassen. Bei der Kollision der Blei-Ionen im ALICE-Experiment wurden Kerne und entsprechende Antikerne in fast gleicher Rate erzeugt. Dadurch ließen sich ihre Eigenschaften über die Bestimmung der Trajektorien im Magnetfeld der Detektoren sowie über ihre Flugzeit bis zum Auftreffen auf den Detektor sehr genau vergleichen.

Die gemessenen Unterschiede im Masse-Ladungs-Verhältnis der Deuterium- und Antideuteriumkerne sowie der Helium-3-Kerne und -Antikerne können die Forscher unter Einbeziehung der geschätzten Mess­unsicher­heiten als mit Null vereinbar angeben. Damit bestätigen sie eine fundamentale Symmetrie, das sogenannte CPT-Theorem. Die Erkenntnisse aus der Grundlagen­forschung bestätigen das Standardmodell der Elementar­teilchen und ihrer Kräfte und sind für kosmologische Forschungen von hoher Relevanz.

U. Tübingen / DE