Spin-Flip eines Protons
Forschern gelang es, das magnetische Moment direkt an einem einzelnen Proton zu beobachten.
Forschern gelang es, das magnetische Moment direkt an einem einzelnen Proton zu beobachten.
Forschern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und des Helmholtz-Instituts Mainz (HIM) ist gemeinsam mit Kollegen des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg und dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung Darmstadt der erstmalige Nachweis von Spin-Flips eines einzelnen Protons gelungen. Das Ergebnis ist wichtig für die angestrebten Hochpräzisionsmessungen der magnetischen Eigenschaften des Protons sowie des Antiprotons.
Abb.: Spin-Flip Resonanzkurve eines einzelnen Protons: Die Forscher verwendeten ein oszillierendes Magnetfeld, um die Wahrscheinlichkeit für das Umklappen des Spins zu messen. Die Wahrscheinlichkeit erreicht bei der Larmor-Frequenz das Maximum. (Bild: S. Ulmer et al., Phys. Rev. Lett.)
Bekannt ist das magnetische Moment des Protons schon seit langem. Bisher war es jedoch nicht möglich, es direkt an einem einzelnen Proton zu beobachten, sondern nur an Teilchenensembles. Die Schwierigkeit liegt darin, dass das magnetische Moment des Protons etwa 660-mal kleiner ist als das des Elektrons. Das Mess-Signal ist also wesentlich geringer. Den Forschern gelang der direkte Nachweis des Protonenspins mit Hilfe einer speziell entwickelten elektromagnetischen Teilchenfalle (einer sog. Doppelpenningfalle), in der sie ein einzelnes Proton speicherten. Der Falle war eine starke magnetische Inhomogenität überlagert; die stärkste, in der je ein geladenes Teilchen gespeichert werden konnte. Verschiebt man das Proton um 1.5 mm entlang der Fallenachse, so ändert sich die Stärke des Magnetfelds bereits um 1 Tesla. Das Umklappen des Protonen-Spins in diesem inhomogenen Magnetfeld wirkte sich auf die axiale Bewegungsfrequenz aus und änderte diese Frequenz. Dies war das Mess-Signal.
Damit ist der Weg frei für direkte Hochpräzisionsmessungen des magnetischen Moments sowohl eines Protons als auch eines Antiprotons. Das magnetische Moment des Antiprotons ist gegenwärtig lediglich auf drei Nachkommastellen bekannt. Die neue Messmethode sollte eine Verbesserung der Messgenauigkeit um eine Million ermöglichen und würde einen hochempfindlichen Test der CPT-Symmetrie darstellen. Die Materie-Antimaterie-Symmetrie ist einer der wichtigsten Grundpfeiler des Standardmodels der Elementarteilchenphysik. Nach diesem Modell verhalten sich Teilchen und Antiteilchen nach simultaner Anwendung von Ladungsumkehr, Ortsspiegelung und Zeitumkehr - als CPT-Transformation bezeichnet - identisch. Vergleiche der fundamentalen Eigenschaften von Teilchen und Antiteilchen ermöglichen den Test dieses Symmetrieverhaltens und geben Hinweise auf eine Physik jenseits des Standardmodels.
Universität Mainz / MH
