Quantensprung: Erstmals magnetische Eigenschaft an einem einzelnen Proton direkt beobachtet

Wichtigste Etappe für die direkte Messung des magnetischen Moments des Protons und seines Antiteilchens erreicht - Materie-Antimaterie-Problem im Fokus

Forschern des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, des Helmholtz-Instituts Mainz und des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg ist mit einem neuen Messaufbau an der Universität Mainz der direkte Nachweis von Spin-Quantensprüngen eines einzelnen Protons gelungen. Das Ergebnis ist ein bahnbrechender Erfolg für die angestrebte Hochpräzisionsmessung der magnetischen Eigenschaften des Protons. Das Messprinzip basiert auf der Beobachtung eines einzelnen Protons, das in einer elektromagnetischen Teilchenfalle gespeichert ist. Das gleiche Prinzip kann ebenso auf ein einzelnes Antiproton angewendet werden. Damit ergibt sich die Perspektive, die Frage des Materie-Antimaterie-Ungleichgewichts im Universum zu lösen. Die genaue Erforschung von Antimaterie ist deshalb so wichtig, um zu verstehen, warum sich nach dem Urknall Materie und Antimaterie nicht vollständig gegenseitig vernichtet haben - letztendlich also, warum das Universum überhaupt entstehen konnte.

Das Proton besitzt, wie andere Teilchen auch, einen Eigendrehimpuls, den Spin. Mit dem Spin geht ein entsprechendes Magnetfeld, das magnetische Moment, einher. Es ist mit einem winzigen Stabmagneten vergleichbar. Ein Spin-Quantensprung entspricht dem Umklappen der Magnetpole. Der direkte Nachweis des Spins an einem einzelnen Proton ist allerdings eine große Herausforderung. Während beim Elektron und seinem Antiteilchen, dem Positron, bereits in den 1980er Jahren die Spins und damit die magnetischen Momente gemessen und verglichen wurden, ist dies bei einem Proton bislang nicht gelungen. Bisher konnten Wissenschaftler den Protonenspin nur indirekt in Teilchenensembles bestimmen.

Die besondere Schwierigkeit liegt darin, dass das magnetische Moment des Protons etwa 660-mal kleiner ist als das des Elektrons. Das Mess-Signal ist also wesentlich schwächer. Die Forscherkollaboration hat in siebenjährigen Vorarbeiten ein Präzisionsexperiment entwickelt, das nun die Feuerprobe bestanden hat.

Damit ist der Weg frei für direkte Hochpräzisionsmessungen des magnetischen Moments sowohl eines Protons als auch eines Antiprotons - Letztere dann voraussichtlich am CERN, dem europäischen Labor für Teilchenphysik in Genf, oder am geplanten Forschungszentrum FAIR bei GSI in Darmstadt. Das magnetische Moment des Antiprotons ist gegenwärtig lediglich auf drei Nachkommastellen bekannt. Die in den Mainzer Labors angewandte Messmethode stellt eine millionenfache Verbesserung der Messgenauigkeit in Aussicht. Dies ermöglicht einen hochempfindlichen Test der CPT-Symmetrie, welche für das physikalische Weltbild fundamental ist. Die erstmalige Beobachtung von Spin-Quantensprüngen eines einzelnen Protons ist ein Durchbruch auf dem Weg zu diesem großen Ziel.

Die Materie-Antimaterie-Symmetrie ist einer der wichtigsten Grundpfeiler des Standardmodells der Elementarteilchenphysik. Nach diesem Modell verhalten sich Teilchen und Antiteilchen nach simultaner Anwendung von Ladungsumkehr, Ortsspiegelung und Zeitumkehr - als CPT-Transformation bezeichnet - identisch. Hochpräzise Vergleiche der fundamentalen Eigenschaften von Teilchen und Antiteilchen ermöglichen den empfindlichen Test dieses Symmetrieverhaltens und geben Hinweise auf eine Physik jenseits des Standardmodells. Die Messung einer Abweichung der magnetischen Momente von Proton und Antiproton würde das Fenster zu dieser "neuen Physik" öffnen.

Originalveröffentlichung:
S. Ulmer, C.C. Rodegheri, K. Blaum, H. Kracke, A. Mooser, W. Quint, J. Walz
Observation of Spin Flips with a Single Trapped Proton, Phys. Rev. Lett. 106, 253001 (2011)

Link zur wissenschaftlichen Veröffentlichung in 'Physical Review Letters': http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.106.253001

Die Arbeit wird außerdem von American Physical Society als Viewpoint vorgestellt unter: http://physics.aps.org/pdf/Physics.4.49.pdf

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