Quelle: Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf 2. August 2024.

2. August 2024 – BASE hat eine Falle entwickelt, mit der einzelne Antiprotonen wesentlich schneller abgekühlt werden als bisher, was die Forschenden nun in der Fachzeitschrift Physical Review Letters erläutern.

Nach dem Urknall vor über 13 Milliarden Jahren war das Universum voll hochenergetischer Strahlung. Aus ihr entstanden ständig Paare von Materie- und Antimaterieteilchen – beispielsweise Protonen und Antiprotonen. Trifft ein solches Paar wieder zusammen, zerstrahlen die Teile erneut zu reiner Energie. In der Summe sollten also exakt gleiche Mengen Materie und Antimaterie entstehen und wieder zerstrahlen, in der Summe sollte das Universum weitgehend materielos sein.

Offensichtlich gibt es aber ein Ungleichgewicht – eine Asymmetrie –, denn es gibt materielle Objekte. Es ist eine winzige Menge mehr Materie als Antimaterie entstanden, im Widerspruch zum Standardmodell der Teilchenphysik. Physiker suchen deshalb seit Jahrzehnten, das Standardmodell zu erweitern. Dafür benötigen sie auch präziseste Messung fundamentaler physikalischer Größen.

Hier setzt die BASE-Kollaboration („Baryon Antibaryon Symmetry Experiment“) an, an der die Universitäten in Düsseldorf, Hannover, Heidelberg, Mainz, Tokio und der ETH Zürich beteiligt sind sowie die Forschungslabore CERN in Genf, GSI in Darmstadt, das MPI für Kernphysik in Heidelberg, die Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig und RIKEN in Wako / Japan.

„Die zentrale Frage, der wir nachgehen wollen: Sind Materie- und ihre zugehörigen Antimaterieteilchen exakt gleich schwer und haben sie die exakt gleichen magnetischen Momente, oder gibt es winzige Abweichungen?“, erläutert Prof. Dr. Stefan Ulmer, Sprecher von BASE. Er ist Professor am Institut für Experimentalphysik der HHU und forscht zusätzlich am CERN und am RIKEN.

Die Physiker wollen mit extrem hoher Auflösung den sogenannten Spin-Flip – Quantenübergänge des Protonenspins – bei einzelnen, ultrakalten und damit extrem energiearmen Antiprotonen messen; also das Umklappen des Eigendrehimpulses. „Aus den gemessenen Übergangsfrequenzen können wir unter anderem das magnetische Moment der Antiprotonen – also sozusagen deren winzige innere Stabmagnete – vermessen“, erläutert Ulmer, und: „Wir wollen so mit bisher unerreichter Genauigkeit schauen, ob diese Stabmagnete in Protonen und Antiprotonen dieselbe Stärke aufweisen.“

Einzelne Antiprotonen für die Messungen so zu präparieren, dass entsprechende Messgenauigkeiten erreicht werden, ist eine äußert aufwändige experimentelle Aufgabe. Hierbei hat die BASE-Kollaboration nun einen entscheidenden Fortschritt erzielt.

Dr. Barbara Maria Latacz vom CERN und Erstautorin der jetzt in Physical Review Letters als „editors suggestion“ erschienenen Studie: „Wir benötigen Antiprotonen mit einer maximalen Temperatur von 200 mK, also extrem kalte Teilchen. Nur so sind verschiedene Spin-Quantenzustände unterscheidbar. Mit bisherigen Techniken dauerte es 15 Stunden, um Antiprotonen, die wir aus dem Beschleunigerkomplex des CERN beziehen, so weit abzukühlen. Mit unserer neuen Kühlmethode verkürzen wir diese Zeit auf acht Minuten.“

Erreicht haben die Forschenden dies, indem sie quasi zwei sogenannte Penningfallen zu einem Gerät zusammenschlossen, zu einer „Maxwell-Daemon-Kühldoppelfalle“. Mit ihr ist es möglich, nur die kältesten Antiprotonen gezielt zu präparieren und für die nachfolgende Spin-Flip-Messung zu nutzen; wärmere Teilchen werden aussortiert. So entfällt die Zeit, um wärmere Antiprotonen abzukühlen.

Die erhebliche kürzere Kühlzeit ist notwendig, um die nötige Messstatistik in wesentlich kürzerer Zeit zu erhalten, so dass die Messunsicherheiten weiter gesenkt werden können. Latacz: „Wir brauchen mindestens 1.000 einzelne Messzyklen. Mit unserer neuen Falle heißt dies, dass wir rund einen Monat Messzeit benötigen – im Vergleich zu knapp zehn Jahren mit der alten Technik, was experimentell nicht realisierbar wäre.“

Ulmer: „Mit der BASE-Falle konnten wir bereits messen, dass sich die magnetischen Momente von Proton und Antiproton um maximal ein Milliardstel – wir sprechen von 10^-9 – unterscheiden. Wir konnten die Fehlerrate der Spin-Identifikation um mehr als einen Faktor 1.000 verbessern. In der nächsten Messkampagne hoffen wir, die Genauigkeit im magnetischen Moment auf 10^-10 verbessern zu können.“

Prof. Ulmer zu den zukünftigen Plänen: „Wir wollen eine mobile Teilchenfalle bauen, mit der wir am CERN in Genf erzeugte Antiprotonen in ein neues Labor an der HHU transportieren können. Dieses ist so eingerichtet, dass wir hoffen dürfen, die Messgenauigkeit um mindestens einen weiteren Faktor 10 zu verbessern.“

Hintergrund: Fallen für Elementarteilchen
Mithilfe von magnetischen und elektrischen Feldern können in Fallen einzelne elektrisch geladene Elementarteilchen, deren Antiteilchen oder auch Atomkerne für längere Zeit gespeichert werden. Speicherdauern von über zehn Jahren sind möglich. Innerhalb der Fallen können dann gezielte Messungen an ihnen vorgenommen werden.

Es gibt zwei grundlegende Bauweisen: Bei den sogenannten Paul-Fallen (die vom deutschen Physiker Wolfgang Paul in den 1950er-Jahren entwickelt wurden) erfolgt die Speicherung mithilfe von elektrischen Wechselfeldern. Die von Hans G. Dehmelt entwickelten „Penning-Fallen“ nutzen ein konstantes Magnetfeld und ein elektrostatisches Quadrupolfeld. Beide Physiker erhielten für ihre Entwicklungen 1989 den Nobelpreis.

Originalveröffentlichung
B. M. Latacz, M. Fleck, J. I. Jäger, G. Umbrazunas, B. P. Arndt, S. R. Erlewein, E. J. Wursten, J. A. Devlin, P. Micke, F. Abbass, D. Schweitzer, M. Wiesinger, C. Will, H. Yildiz, K. Blaum, Y. Matsuda, A. Mooser, C. Ospelkaus, C. Smorra, A. Soter, W. Quint, J. Walz, Y. Yamazaki, and S. Ulmer. Orders of Magnitude Improved Cyclotron-Mode Cooling for Non-Destructive Spin Quantum Transition Spectroscopy with Single Trapped Antiprotons, Physical Review Letters 133, 053201 (2024).
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.053201
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.053201
pdf: https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.133.053201

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• Antimaterie

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Quelle: BASE-Kollaboration, JGU.

5. Januar 2022 – In Nature berichtet die BASE-Kollaboration am CERN über den weltweit genauesten Vergleich zwischen Protonen und Antiprotonen: Die Verhältnisse von Ladung zu Masse von Antiprotonen und Protonen sind auf elf Stellen identisch. Diese neue Messung verbessert die Genauigkeit des bisher besten Werts um mehr als einen Faktor vier. Der über einen Zeitraum von eineinhalb Jahren gesammelte Datensatz ermöglicht außerdem einen Test des schwachen Äquivalenzprinzips, das besagt, dass sich Materie und Antimaterie unter Schwerkraft gleich verhalten.

Symmetrie und Schönheit sind eng miteinander verbunden, nicht nur in der Musik, der Kunst und der Architektur, sondern auch in den grundlegenden physikalischen Gesetzen, die unser Universum beschreiben. Es ist in gewisser Weise ironisch, dass wir unsere Existenz einer gebrochenen Symmetrie in der besten fundamentalen Theorie, die es gibt, dem Standardmodell (SM) der Teilchenphysik, zu verdanken scheinen. Einer der Eckpfeiler des SM ist die Invarianz bei Umkehr von Ladung, Parität und Zeit (CPT). Auf die Gleichungen des SM angewandt, verwandelt die CPT-Transformation Materie in Antimaterie. Als Folge der CPT-Symmetrie haben Paare von Materie und Antimaterie die gleichen Massen, Ladungen und magnetischen Momente, die beiden letzteren mit entgegengesetztem Vorzeichen. Eine weitere Folge von CPT: Trifft ein Teilchen auf sein Antiteilchen, vernichten sie sich zu reiner Energie, was in zahlreichen Laborexperimenten bestätigt wurde. In diesem Sinne ist die Existenz unseres Universums keineswegs selbstverständlich. Wir haben Grund zu der Annahme, dass beim Urknall Materie und Antimaterie in gleichen Mengen entstanden sind. Warum nur die Materie übrig blieb, aus der unser Sonnensystem und die Himmelskörper im Universum bestehen, ist noch ungeklärt.

Ein weiteres heißes Thema in der modernen Physik ist die Frage, ob sich Materie und Antimaterie unter Schwerkraft gleich verhalten. In ihrem neuen Artikel vergleichen die BASE-Wissenschaftler die Ladung-zu-Masse-Verhältnisse von Antiprotonen und Protonen sowie – während des Umlaufs der Erde um die Sonne – die Ähnlichkeit von Uhren aus Antimaterie und Materie. Sie sind also beiden Fragen gleichzeitig mit einer Messung nachgegangen.

Haben Proton und Antiproton wirklich die gleiche Masse?
Für seine hochpräzisen Untersuchungen verwendete das Team um Stefan Ulmer, leitender Wissenschaftler am RIKEN in Japan und Sprecher der BASE-Kollaboration, eine Penning-Falle, also einen elektromagnetischen Behälter, der ein einzelnes geladenes Teilchen speichern und nachweisen kann. Ein Teilchen in einer solchen Falle schwingt mit einer charakteristischen Frequenz, die durch seine Masse definiert ist. „Abhören“ der Schwingungsfrequenzen von Antiprotonen und Protonen in derselben Falle ermöglicht es, deren Massen zu vergleichen. „Durch Beladen eines zylindrischen Stapels mehrerer solcher Penning-Fallen mit Antiprotonen und negativen Wasserstoffionen konnten wir einen Massenvergleich innerhalb von nur vier Minuten durchführen, also 50 Mal schneller als bei früheren Proton/Antiproton-Vergleichen anderer Gruppen“, erläutert Stefan Ulmer. „Seit unseren früheren Messungen haben wir außerdem den Versuchsaufbau technisch erheblich verbessert. Dies erhöht die Stabilität des Experiments und verringert systematische Verschiebungen in den Messwerten.“ Mit diesem optimierten Instrument hat das BASE-Team im Verlauf von eineinhalb Jahren einen Datensatz von rund 24.000 einzelnen Frequenzvergleichen erfasst. Durch Kombination aller Messergebnisse fanden die Forscher, dass das Ladung-zu-Masse-Verhältnis von Antiprotonen und Protonen identisch ist, und zwar mit einer Genauigkeit von 16 Teilen in einer Billion, also einer Zahl mit 11 signifikanten Stellen. Das verbessert die Genauigkeit der bisher besten Messung – ebenfalls von BASE – um mehr als einen Faktor vier: ein erheblicher Fortschritt in der Präzisionsphysik.

Und wie kommt nun die Schwerkraft ins Spiel?
Ein Teilchen, das in einer Penning-Falle schwingt, kann man als „Uhr“ betrachten, ein Antiteilchen als „Anti-Uhr“. Bei starker Gravitation gehen die Uhren schneller. Während der Langzeitmessung von eineinhalb Jahren war die Erde auf ihrer elliptischen Bahn unterschiedlich starker Anziehungskraft der Sonne ausgesetzt. Falls Antimaterie und Materie verschieden auf Schwerkraft reagieren, würden die Materie- und Antimaterie-Uhren entlang der Flugbahn der Erde unterschiedliche Frequenzverschiebungen erfahren. Die BASE-Wissenschaftler konnten bei der Analyse ihrer Daten aber keine derartige Frequenzanomalie feststellen. So konnten sie erstmals direkte und weitgehend modellunabhängige Grenzen für ein anomales Verhalten von Antimaterie unter Schwerkraft setzen – oder anders ausgedrückt: im Rahmen der Messgenauigkeit die Gültigkeit des schwachen Äquivalenzprinzips für Uhren bestätigen.

„Um mit noch höherer Präzision messen zu können, müssen wir die Antiprotonen aus der Beschleunigerumgebung der Antimaterie-Fabrik des CERN in ein ruhiges Labor bringen“, beschreibt Dr. Christian Smorra, Physiker am Exzellenzcluster PRISMA+ der JGU und stellvertretender Sprecher der BASE-Kollaboration, die nächsten Schritte. „Dazu konstruiert das BASE-Team derzeit die transportable Antiprotonenfalle BASE-STEP.“ Zunächst ist geplant, die Antiprotonen in ein ruhiges Labor am CERN zu verlagern. Wenn das geklappt hat, können die Antiprotonen auch an andere Fallenlabore verteilt werden. „Wir werden die Transportfalle nutzen, um noch genauere Messungen mit Antiprotonen zu machen. So wollen wir sicherstellen, dass uns bei den Antiteilchen keine neue Physik durch die Lappen geht.“

Die BASE-Kollaboration besteht aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des RIKEN Fundamental Symmetries Laboratory, des European Center for Nuclear Research (CERN), des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), des Helmholtz-Instituts Mainz (HIM), der Universität Tokyo, des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung Darmstadt, der Leibniz-Universität Hannover, der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) Braunschweig und der ETH Zürich. Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des Max-Planck-RIKEN-PTB Center for Time, Constants and Fundamental Symmetries durchgeführt.

Veröffentlichung:
M.J. Borchert et al., A 16-parts-per-trillion measurement of the antiproton-to-proton charge–mass ratio, Nature, 05.01.2022,
DOI: 10.1038/s41586-021-04203-w
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04203-w

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