Fundamentale Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie bestätigt
MPQ-Wissenschaftler und Kollegen ermitteln mit bislang unerreichter Genauigkeit das Verhältnis von Antiproton- zu Elektronmasse.
Die Forschungsgruppe „Antimatter Spectroscopy“ von Masaki Hori am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching untermauerte jetzt die theoretisch geforderte Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie. Indem die Wissenschaftler eine neue Methode der Laserspektroskopie auf antiprotonisches Helium, ein zur Hälfte aus Antimaterie bestehendes Atom, anwandten, gelang es ihnen, das Verhältnis von Antiproton- zu Elektronmasse mit einer Genauigkeit von 1,3 × 10-9 zu bestimmen. Ihr Ergebnis stimmt exakt mit dem mit gleicher Genauigkeit bestimmten Verhältnis von Proton- zu Elektronmasse überein. Das Experiment fand am Europäischen Forschungszentrum für Teilchenphysik CERN in Genf statt, geleitet von Wissenschaftlern des MPQ und der Universität Tokio. Maßgeblich beteiligt waren außerdem die Universität Brescia (Italien), das Stefan Meyer-Institut in Wien und das ungarische KFKI Forschungsinstitut in Budapest.
Abb.: Ein Antiproton (schwarzes Kügelchen), das in einem Helimatom gefangen ist, wird von zwei Laserstrahlen beleuchtet. (Bild: MPQ)
Bereits 1997 bauten Forscher des MPQ in Zusammenarbeit mit dem Cern in Genf sowie weiteren europäischen, amerikanischen und japanischen Gruppen den „Antiprotonen Decelerator“. 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 Asacusa-Gruppe (für „Atomic Spectroscopy and Collisions using Slow Antiprotons“ in Anlehnung an einen Stadtteil in Tokio), zu der Hori gehört, schickt die Antiprotonen auf ein Helium-Target, um damit antiprotonisches Helium zu erzeugen und zu untersuchen.
Bei antiprotonischem Helium wird ein Elektron durch ein Antiproton ersetzt, das sich jetzt in einer hoch angeregten Umlaufbahn in einer Entfernung von etwa 100 Pikometern befindet. Dieses Atom wird jetzt mit Laserlicht bestrahlt, dessen Frequenz genau so eingestellt ist, dass das Antiproton von einer Bahn 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 Antiprotonen ruft jedoch eine Dopplerverschiebung hervor. Dies begrenzte die bisher von der Gruppe erreichte Genauigkeit.
Die bei diesem Experiment verwendeten Methode der „Zwei-Photon-Spektroskopie“ vermeidet diesen Effekt zumindest teilweise, was zu einer vier bis sechs Mal höheren Genauigkeit führt. Dabei werden die Atome von zwei gegenläufigen Laserstrahlen unterschiedlicher Farbe beleuchtet. Der erste Laser bringt das Antiproton nur auf eine Bahn, die einem virtuellen, d.h. quantenmechanisch nicht erlaubten Energieniveau entspricht. Erst der zweite Laser bringt das Antiproton auf die niedrigste erlaubte Bahn. Wegen der großen Masse des Antiprotons, ist es extrem schwierig, diesen Zwei-Photonen-Übergang zu bewerkstelligen. Erst die extrem scharfe Einstellung der Laserfrequenzen, welche die MPQ-Physiker mit dem optischen Frequenzkamm erzielten, machte dies möglich.
Den neuen Messungen nach ist das Antiproton 1836,1526736(23) Mal schwerer als das Elektron – wie auch das Proton. Dies untermauert die Gültigkeit des CPT-Theorems. Die Verbesserung der Zwei-Photon-Technik könnte dazu führen, die Masse des Antiprotons letztendlich genauer zu bestimmen als die des Protons.
MPQ / OD
