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28.05.2014 | Gefangen: Vermessung des Proton-Magnetfelds

Foto: Dr. Holger Kracke/Helmholtz-Institut Mainz

Die Doppel-Penningfalle, in der das Proton dreizehn Monate gefangen gehalten wurde.

 

Wissenschaftler haben erstmals das Magnetfeld eines einzelnen Protons vermessen. Dreizehn Monate lang hielten sie ein Proton dafür in einer Falle gefangen – ein neuer Rekord. Das magnetische Moment ist für Wissenschaftler entscheidend, die nach dem Grund für das Antimaterie-Materie-Ungleichgewicht im Universum suchen.

Eine sehr genau abgemessene Portion Energie wird dem Proton in seiner Falle zugeführt. Hat sie gereicht, um das Magnetfeld des Protons umzupolen? An der Universität Mainz steht eine ausgetüftelte Messapparatur, um das herauszufinden: eine Doppel-Penningfalle. Mit dem etwa 6,5 Zentimeter langen Röhrchen haben die Wissenschaftler nun das magnetische Moment des Protons so genau gemessen wie nie zuvor. „Unsere Messungen ergeben ein magnetisches Moment von 2,792847350(9) in Einheiten des sogenannten Kernmagnetons und sind damit dreimal genauer als der bisherige Wert, der aus der Vermessung mehrerer Protonen, die in Wasserstoffatomen enthalten sind, im Jahr 1972 stammt“, erklärt Dr. Wolfgang Quint, Atomphysiker an der GSI, der das Experiment zusammen mit Wissenschaftlern der Universität Mainz, des Helmholtz-Instituts Mainz und des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg aufgebaut hat. „Es hat 42 Jahre gedauert, eine bessere Messmethode zu entwickeln. Die Schwierigkeit liegt darin, dass das magnetische Moment eines einzelnen Protons extrem klein ist.“

Das Magnetfeld, oder auch magnetische Moment, wird vom Eigendrehimpuls, dem Spin, des Protons erzeugt. Um zu berechnen, wie groß das magnetische Moment ist, suchen die Forscher nach der Energiemenge, mit der sich das Umklappen der Magnetpole auslösen lässt. Das genaue Ergebnis ist der Doppel-Penningfallen-Technik zu verdanken. An einer Stelle der Falle erzeugen die Wissenschaftler ein inhomogenes Magnetfeld, um die Richtung des Protonen-Magnetfeldes zu bestimmen. An der anderen Stelle herrscht ein gleichmäßiges Magnetfeld, in dem das Proton festgehalten, sein Spin aber möglichst wenig gestört wird, um die Ergebnisse nicht zu verfälschen. „Dort führen wir systematisch Energiemengen hinzu. Dann transportieren wir das Proton wieder in die inhomogene Messstelle und messen, ob sich der Spin umgedreht hat“, erklärt Quint. Diese Schritte wurden dreizehn Monate am Stück wiederholt, wobei die Energiemenge immer genauer eingestellt wurde. Insgesamt legte das Proton den Weg zwischen den beiden Fallen einige tausend Mal zurück.

Noch dieses Jahr soll an einem identischen Messaufbau am CERN ein Antiproton auf gleiche Weise vermessen werden. Der Vergleich der beiden Werte könnte das Rätsel um das Materie-Antimaterie-Ungleichgewicht im Universum lösen. Unterscheidet sich das magnetische Moment eines Antiprotons von dem eines Protons, könnte das erklären, warum nach dem Urknall fast nur Materie im Universum übrig blieb – letztendlich also, warum sich überhaupt Planeten und Sterne formen konnten.

Neben der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, dem Helmholtz-Institut Mainz, dem Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg und GSI waren außerdem Wissenschaftler der Ulmer Initiative Research Unit am RIKEN in Japan und der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg beteiligt.

 

Mehr Informationen

Original-Veröffentlichung im Fachmagazin Nature: Nature 509, 596–599 (29 May 2014), doi:10.1038/nature13388

 

 


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Die Doppel-Penningfalle, in der das Proton dreizehn Monate gefangen gehalten wurde.
Foto: Dr. Holger Kracke/Helmholtz-Institut Mainz