CPT-Test mit antiprotonischem Helium

Die Massen des Protons und des Antiprotons stimmen auf ein Hundertmillionstel überein. Das haben jetzt Experimente mit antiprotonischem Helium am CERN ergeben.

Einer der Grundpfeiler der Teilchenphysik ist das so genannte CPT-Theorem. Demnach sollte die Natur invariant sein unter der CPT-Transformation, wobei C die Ladungskonjugation, P die räumliche Spiegelung und T die Zeitumkehr bezeichnet. Bisher deutet nichts darauf hin, dass die CPT-Invarianz verletzt wird, obwohl beim Betazerfall immerhin die P-Invarianz und beim Kaonen-Zerfall die CP-Invarianz auf der Strecke bleiben.

Eine klare Verletzung der CPT-Invarianz läge vor, wenn ein Teilchen und sein Antiteilchen unterschiedliche Massen hätten. Dies hat man jetzt am CERN für Protonen und Antiprotonen überprüft. Dort verfügt man über eine intensive Antiprotonenquelle, mit deren Hilfe man vor einem Jahr gut 50.000 Antiwasserstoffatome herstellen konnte. Diesmal hat man die Antiprotonen auf Energien von 10-120 keV abgebremst und durch Heliumgas fliegen lassen.

Stößt ein Antiproton mit einem Heliumatom zusammen, so kann es von diesem eingefangen werden. Es entsteht dabei antiprotonisches Helium: ein Heliumkern, der von einem Elektron im Grundzustand und von einem Antiproton in einem hoch angeregten Zustand umgeben ist. Dieses exotische Objekt – halb Atom, halb Molekül – existiert einige Mikrosekunden lang, bevor das Antiproton mit dem Heliumkern zusammenstößt und zerstrahlt. In dieser vergleichsweise langen Zeit haben die Forscher der ASACUSA-Kollaboration die Anregungszustände des antiprotonischen Heliums mit Laserlicht vermessen.

Für bestimmte, extrem genau abgestimmte Anregungsfrequenzen ging das antiprotonische Helium in äußerst kurzlebige Zustände über und zerstrahlte umgehend. Aufgrund von Berechnungen japanischer und russischer Theoretiker konnte man aus den Anregungsfrequenzen den Massenunterschied zwischen Proton und Antiprotons mit bisher unerreichter Genauigkeit ermitteln. Er beträgt weniger als 10 ^-8. Ähnlich gering ist auch der Unterschied der (absolut genommenen) Ladungen von Proton und Antiproton.

Um das jetzt erreichte Ergebnis zu verbessern und vielleicht doch noch eine Verletzung der CPT-Invarianz zu finden, müssen nicht nur die experimentellen Resultate sondern auch die theoretischen Vorhersagen präziser werden.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  M. Hori et al., Direct Measurement of Transition Frequencies in Isolated He+ Atoms, and New CPT-Violation Limits on the Antiproton Charge and Mass, Phys. Rev. Lett. 91, 123401 (2003).
  http://link.aps.org/abstract/PRL/v91/e123401
  http://asacusa.web.cern.ch/ASACUSA/home/publications/rfq-10ppb.pdf (frei!)
• Kontakt:
  John Eades, http://www.cern.ch
• ASACUSA-Experiment am CERN:
  http://asacusa.web.cern.ch/ASACUSA/
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema CPT finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine.

Weitere Literatur:

• ToshimitsuYamazaki et al., Antiprotonic helium. Physics Reports 366, 183 (2002).
  http://asacusa.web.cern.ch/ASACUSA/home/publications/physrep.pdf (2,2 Mb!)