Magnetisches Moment des Protons mit Rekordgenauigkeit gemessen

Das magnetische Moment eines einzelnen Protons ist zwar klein, aber doch mess­bar. Schon vor über zehn Jahren wurde für diese Messung der Grund­stein gelegt und bis heute arbeiten Forscher der Uni Mainz, des MPI für Kern­physik, der GSI Darm­stadt und des japa­nischen Forschungs­instituts RIKEN mit Experi­menten daran, diese Kraft an ein­zelnen Teil­chen mit einer mög­lichst hohen Genauig­keit zu messen. Sie haben die Versuchs­anord­nungen in den ver­gan­genen Jahren immer weiter ver­feinert und können jetzt einen weiteren neuen Rekord ver­melden: Das magne­tische Moment des Protons wurde auf zehn signi­fi­kante Stellen genau bestimmt – die genaueste Angabe, die es der­zeit gibt. Die Messungen der BASE-Kolla­bo­ra­tion bestätigen das Standard­modell der Teilchen­physik, das die kleinsten Teilchen unseres Kosmos beschreibt.

Die genaue Kenntnis der fundamentalen Eigenschaften des Protons ist wichtig für das Ver­ständnis der Struktur von Atomen und für den genauen Test funda­men­taler Symme­trien im Uni­versum – insbe­sondere im Hin­blick auf das Ungleich­gewicht zwischen Materie und Anti­materie. An der Uni Mainz werden seit dem Jahr 2005 Experi­mente ausgeführt, um einzelne Protonen in einer Penning­falle ein­zu­fangen und genau­estens zu ver­messen.

Die aktuellen Ergebnisse dringen in einen Bereich vor, der einer Genauig­keit von 0,3 Milliard­stel ent­spricht, womit die bisher genaueste Messung der BASE-Forscher aus dem Jahr 2014 um das Elf­fache ver­bessert wurde. Der g-Faktor, der das magne­tische Moment angibt, beträgt demnach 2,79284734462(82). Im direkten Ver­gleich mit dem vor fünf Wochen ver­öffent­lichten g-Faktor für das Anti­proton durch die BASE-Kolla­bo­ration zeigt sich eine große Über­ein­stimmung von Teilchen und Anti­teilchen.

„Für die Physik ist es von großer Bedeutung, die Eigen­schaften des Protons wie zum Beispiel seine Masse, Lebens­dauer, Ladung, Radius und das magne­tische Moment so genau wie möglich zu kennen“, sagt Andreas Mooser vom RIKEN. „All diese Eigen­schaften können mit Hilfe von Hoch­präzi­sions­messungen die Grund­lagen liefern, um funda­mentale Symme­trien wie die Ladung-, Parität- und Zeit-Symmetrie genauer zu untersuchen.“ Aus der CPT-Symmetrie ergibt sich unter anderem, dass im Welt­all genauso viel Materie wie Anti­materie vor­handen sein müsste, was aber nicht der Fall ist. „Der Ver­gleich der aktu­ellen Daten von Proton und Anti­proton liefert uns eine glänzende Bestäti­gung der CPT-Symmetrie“, so Mooser.

Die größere Messgenauigkeit ist durch eine Verbesserung des tech­nischen Auf­baus gelungen. Dazu wurde zum einen das Magnet­feld in der Penning­falle, in der die Hoch­präzi­sions­messung erfolgt, noch stärker homo­geni­siert. Zum anderen wurde eine selbst­abschir­mende Spule ein­ge­führt, die Störungen abfängt. Beide Maß­nahmen tragen dazu bei, die Stabi­lität des Teilchens in der Falle zu erhöhen, sodass die Frequenzen genauer erfasst werden können. „Um das magne­tische Moment des Protons zu messen, haben wir eine der empfind­lich­sten Penning­fallen-Appara­turen über­haupt ent­wickelt“, erklärt Georg Schneider von der Uni Mainz. „Das Proton ist eine besonders große Heraus­forde­rung, weil sein magne­tisches Moment so klein ist. Daher brauchen wir eine fast unvor­stel­lbar hohe Empfind­lich­keit in unserer Analyse­falle.“

Eine weitere Verbesserung liegt in der Verkürzung des Zeit­raums, bis eine Messung, erreicht wird. Diese „Zeit pro Daten­punkt“ wurde von drei Stunden auf neunzig Minuten halbiert. „Dass dies gelungen ist, ist fantas­tisch, aber noch lange nicht das Ende der Fahnen­stange“, merkt Schneider an und stellt damit weitere Fort­schritte in Aus­sicht. In Zukunft soll durch den Ein­satz einer Laser­kühlung die Energie des Protons redu­ziert werden, um eine bessere Sensi­ti­vität zu bekommen und damit die Daten­rate zu erhöhen. „Die Daten­rate ist aktuell der limi­tie­rende Faktor.“

Auch für künftige technische Entwicklungen werden die Forscher der Uni Mainz einen engen Aus­tausch mit ihren Kollegen von der BASE-Kolla­bora­tion am Forschungs­zentrum CERN pflegen. Neue­rungen, die sich in Mainz bewähren, werden ans CERN trans­feriert und umge­kehrt. So hoffen die Wissen­schaftler, die magne­tische Kraft von Protonen und Anti­protonen immer präziser bestimmen zu können und damit ent­weder das jetzige Welt­bild der Teilchen­physik zu bestätigen oder aber einen Unter­schied zu finden und damit das Tor für neue physi­ka­lische Kon­zepte auf­zu­stoßen.

JGU / RK