Paritätsverletzung bei Ytterbium-Atomen

Ein Spiegelbild gibt den jeweiligen Gegenstand immer komplett gespiegelt wieder und nicht nur einzelne Teile davon oder einzelne Teile in einer völlig verschie­denen Ausrichtung. Dieses Beispiel veranschau­licht ein funda­mentales Symmetrie­prinzip der Natur. Dass diese Parität erhalten bleibt, galt in der Physik für Jahrzehnte als gegeben – bis zum Jahr 1956. Bei der schwachen Wechsel­wirkung wurde damals eine Verletzung dieses Prinzips entdeckt. Physikern der Johannes Gutenberg-Univer­sität Mainz ist es nun gelungen, die Paritäts­verletzung bei Ytterbium-Atomen mit unter­schiedlicher Neutronen­zahl zu ermitteln. Die Messungen bestätigen erstmals Erwartungen, die auf dem Standard­modell der Teilchen­physik beruhen und Veränderungen in der Paritäts­verletzung bei einer unterschied­lichen Anzahl von Neutronen vorher­sagen.

Paritäts­verletzungen sind nur für die schwache Wechsel­wirkung bekannt. Dem Nachweis 1956 bei einem Betazerfall folgte 1979 die Entdeckung auch bei Atomen und in der Folge die Untersuchung unterschied­licher Elemente. Dmitry Budker startete 1995 an der Univer­sity of California in Berkeley mit Präzisions­messungen an dem Element Ytterbium, einem Seltenerd­metall, und brachte 2014 diese Arbeiten mit nach Mainz. „Wir haben mit verschie­denen Ytterbium-Isotopen gearbeitet, also Atomen mit der gleichen Anzahl Protonen, aber unter­schiedlich vielen Neutronen im Kern“, erklärt Dionysis Antypas vom Helmholtz-Institut Mainz. „Von sieben Ytterbium-Isotopen haben wir eine Kette von vier Isotopen ausgewählt und fanden die Erwar­tungen bestätigt: Je mehr Neutronen der Kern enthält, desto größer ist der Effekt der Paritäts­verletzung“, sagt Antypas zu den Ergeb­nissen der vier­jährigen Arbeit an dem Projekt.

Der Isotopen-Vergleich bei Ytterbium geht auf einen Vorschlag von Victor Flambaum aus dem Jahr 1986 zurück. Der australische Physiker von der University of New South Wales ist seit zwei Jahren Fellow des Gutenberg Forschungs­kollegs und arbeitet mit den Mainzer Wissen­schaftlern zusammen. Dazu werden die Ytterbium-Atome in Gegenwart eines elek­trischen und eines magne­tischen Feldes mit Laserlicht angeregt und die Amplitude der Paritäts­verletzung gemessen. „Das jetzige Ergebnis ist ein signi­fikanter Meilenstein bei der Erforschung der atomaren Paritäts­verletzung”, fasst Budker die Daten zusammen.

Zudem haben die Wissen­schaftler auch Informationen über ein zusätz­liches Z-Boson vorgelegt. Z-Bosonen vermitteln die schwache Wechsel­wirkung und es wird in der Fachwelt darüber spekuliert, ob es noch ein weiteres Z-Boson – bezeichnet als „Z prime“, dessen Masse viel geringer als die des bekannten Z-Bosons ist – gibt oder nicht. Die künftigen Aufgaben sehen Budker und Antypas vor allem darin, die Verteilung von Neutronen im Ytterbium-Atomkern zu messen und die schwache Wechsel­wirkung zwischen den Nukleonen des Ytterbium­kerns zu studieren. 

JGU Mainz / JOL