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26.02.2014 | Mini-Massen messen – Wie schwer ist eigentlich ein Elektron?

Bild: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

Präzedierendes Elektron

 

Elektronen schwirren meistens um einen Atomkern herum, sind winzig klein und sehr leicht. Die Masse des Elektrons so präzise wie möglich zu bestimmen, ist ein wichtiges Forschungsziel, unter anderem zum Test des Standardmodells. In einem Experiment unter GSI-Beteiligung gelang es den Wissenschaftlern nun, die Genauigkeit der Messung um ein Vielfaches zu verbessern.

Zur Massenmessung des Elektrons nutzen die Forscher eine Penning-Falle an der Universität Mainz, in der sich geladene Teilchen in einem Magnetfeld einfangen lassen. Die Teilchen kreisen im Magnetfeld der Falle, anhand ihrer Umlauffrequenz lässt sich die Masse bestimmen. Ein einzelnes Elektron direkt zu messen, ist jedoch schwierig und mit einer großen Messunsicherheit behaftet. Daher bedienen sich die Forscher eines Tricks: Sie koppeln das Elektron einfach an einen Kohlenstoff-Atomkern, dessen Verhalten im Magnetfeld der Falle genau bekannt ist.

Während die Umlauffrequenz des gebundenen Elektrons in der Falle nun keine Rolle mehr spielt, tritt ein anderer Effekt in den Vordergrund. Diesen Effekt kennen wir aus dem Kinderzimmer: Ein Spielzeugkreisel hat eine Eigenrotation um seine eigene Achse, zusätzlich kann man aber beobachten, wie er bei einer Krafteinwirkung von außen eine Schräglage einnimmt und als ganzes um eine nicht sichtbare Mittelachse rotiert. Dieses Verhalten nennt man Präzession. Die Eigenrotation des Elektrons, auch Spin genannt, präzediert in der Falle genau wie der Kreisel. Aus der Messung der Frequenz der Präzession lässt sich indirekt die Elektronenmasse bestimmen.

Der gemessene Wert der Experimente liegt für die Masse des Elektrons bei 0,000548579909067(14)(9)(2) u. Die Einheit u ist die atomare Masseneinheit. In Klammern sind die Fehler angegeben, mit denen die Messung trotz ihrer Genauigkeit noch behaftet ist. Mit diesem Ergebnis konnten die Forscher die Präzision früher erfolgter Messungen um einen Faktor 13 übertreffen. "Im Moment bauen wir eine noch größere Falle, um die Messfehler weiter zu reduzieren", berichtet Dr. Wolfgang Quint aus der GSI-Atomphysik, der das Experiment in Mainz mit aufgebaut hat. "Zur Überprüfung der Quantenelektrodynamik planen wir auch weitere Experimente an schweren, hochgeladenen Ionen mit der GSI-Falle HITRAP."

Exakte Messungen der Elektronenmasse spielen eine wichtige Rolle bei der Überprüfung des Standardmodells der Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkungen. Beispielsweise bestimmt der Wert die Struktur und die Eigenschaften von Atomen und Molekülen und geht in die Bestimmung der Feinstrukturkonstante und in Tests der Quantenelektrodynamik ein. Das Experiment ist eine Kooperation des Max-Planck-Instituts für Kernphysik und der International Max Planck Research School für Quantendynamik in Heidelberg, der Johannes-Gutenberg-Universität in Mainz, des ExtreMe Matter Institutes EMMI und der GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH.

Die Veröffentlichung in der wissenschaftlichen Publikation "Nature"


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Präzedierendes Elektron
Das Kohlenstoffatom wird vom Elektron (grün) umkreist, dessen Spin aufgrund des Magnetfelds der Falle präzediert.
Bild: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung