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28.07.2011

Genaueste Bestimmung der Masse des Antiprotons

Publikation in "Nature"




Einer internationalen Kollaboration unter Beteiligung des Stefan-Meyer-Instituts für subatomare Physik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) ist es bei einem Experiment am Kernforschungszentrum CERN in Genf gelungen, das Massenverhältnis von Antiproton zu Elektron mit einer bisher nicht erreichten Genauigkeit zu messen. Der gemessene Wert stimmt mit dem Proton-zu-Elektron Massenverhältnis überein. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal "Nature" (online: 28.7.2011) veröffentlicht.

Bild: Die Gruppe vor der Apparatur, in der die Messungen stattfanden, © D. Barna.

Physiker(innen) der ASACUSA-Kollaboration (Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons) untersuchten mittels Laserspektroskopie ein exotisches Heliumatom, bei dem eines der beiden Elektronen durch ein Antiproton ersetzt wurde. Das Proton ist etwa 1836-mal schwerer als das Elektron. Für das Antiproton, den Antimateriepartner des Protons, wurde dieses Verhältnis nun mit bisher nie erreichter Genauigkeit bestimmt, nämlich 1:1836,1526736 mit einer absoluten Messunsicherheit von 23x10<sup>-7</sup>. Dieser Wert stimmt gut mit bereits früher durchgeführten Messungen des Proton-zu-Elektron Massenverhältnisses überein.

Die relative Messgenauigkeit laserspektroskopischer Messungen war bisher aufgrund des sogenannten Doppler-Effekts (Christian Andreas Doppler, österreichischer Physiker, gest. 1853) auf 10<sup>-7</sup> - 10<sup>-8</sup> beschränkt. Der durch die thermische Bewegung der antiprotonischen Heliumatome verursachte Effekt führt zu einer Verbreiterung der Laserresonanzlinien und somit zu einer eingeschränkten Genauigkeit bei der Bestimmung der Resonanzfrequenz. Diese neuen Messungen wurden erstmals mit einer "Zwei-Photonen"-Technik durchgeführt, bei der statt eines Laserstrahls zwei entgegengesetzt gerichtete Laserstrahlen verwendet wurden, um einen Übergang zwischen zwei Energiezuständen anzuregen. Auf diese Art wird die Dopplerverbreiterung aufgehoben. "Ein Vergleich der gemessenen Übergangsfrequenzen mit theoretischen Berechnungen zeigt, dass die Übereinstimmung mit der Theorie um einen Faktor 5-10 besser ist als mit Ein-Photon-Spektroskopie", betont Masaki Hori vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in München und Leiter des Experiments, den Erfolg der Zwei-Photonen-Spektroskopie.

Diese Messung ist eine der genauesten Überprüfungen der Materie-Antimateriesymmetrie im Bereich der Hadronen, das heißt von Elementarteilchen, die aus drei Quarks aufgebaut sind. Die Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie findet ihren mathematischen Ausdruck in der CPT-Symmetrie, die besagt, dass Teilchen und Antiteilchen gleiche Massen, Lebensdauer und gleich große, aber entgegengesetzte Ladung haben. Genaue experimentelle Tests dieser Symmetrie sind unter anderem deshalb so interessant, da die Beobachtung, dass das Weltall zum überwiegenden Teil aus Materie besteht, obwohl bei der Entstehung des Universums im Urknall eigentlich gleich viel Materie wie Antimaterie erzeugt hätte werden sollen, ein Hinweis auf eine Verletzung dieser Symmetrie sein könnte. Die neuen Messungen der ASACUSA-Kollaboration implizieren, dass eine Abweichung der Massen (bzw. Ladungen) von Proton und Antiproton kleiner als 7x10<sup>-10</sup> sein muss. "Diese Abweichung entspricht ungefähr der Gewichtsdifferenz, den eine Biene auf dem Riesenrad im Prater ausmachen würde", veranschaulicht Eberhard Widmann, der Direktor des Stefan-Meyer-Instituts für subatomare Physik der ÖAW.

Laserspektroskopie ist nicht das einzige Experiment in der ASACUSA-Kollaboration, das sich mit der Überprüfung der CPT-Symmetrie beschäftigt. Mit Mikrowellenspektroskopie von antiprotonischem Helium, ein Projekt bei dem das Stefan-Meyer-Institut für subatomare Physik der ÖAW federführend ist, konnte vor kurzem das magnetische Moment, eine wichtige Eigenschaft von Elementarteilchen, für das Antiproton mit verbesserter Genauigkeit bestimmt werden (T. Pask et al., Phys. Lett. B 678, 55-59 (2009); S. Friedreich et al., Phys. Lett. B 700, 1-6 (2011)).

An der ASACUSA-Kollaboration sind Physiker aus Österreich, Japan, Ungarn, Dänemark und Italien beteiligt. Die Experimente wurden von der Spektroskopiegruppe der Kollaboration am Antiproton Decelerator des CERN in Genf durchgeführt. Die Gruppe besteht aus zwölf Forschern aus sechs Universitäten und Instituten.

Stefan-Meyer-Institut für subatomare Physik

Das Stefan-Meyer-Institut für subatomare Physik (SMI) ist ein Forschungsinstitut der ÖAW. Die Forschungsthemen umfassen das Studium fundamentaler Symmetrien und Wechselwirkungen, die durch Präzisionsspektroskopie von exotischen Atomen untersucht werden. Dies sind Atome, die anstelle eines Elektrons ein exotisches, negativ geladenes Elementarteilchen enthalten, und die in der Natur nicht vorkommen. Dazu führt das SMI Experimente an internationalen Forschungszentren in der Schweiz, Italien, Deutschland und Japan durch.


Publikation:
Masaki Hori, Anna Sótér, Daniel Barna, Andreas Dax, Ryugo Hayano, Susanne Friedreich, Bertalan Juhász, Thomas Pask, Eberhard Widmann, Dezsö Horváth, Luca Venturelli, Nicola Zurlo: Sub-Doppler two-photon laser spectroscopy of antiprotonic helium and the antiproton-to-electron mass ratio, Nature, 28. Juli 2011.

Bild zum Download:
(© D. Barna)
Die Gruppe vor der Apparatur, in der die Messungen stattfanden
1. Reihe, v. l. n. r.: Masaki Hori (Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching/Department of Physics, University of Tokyo), Andreas Dax (Department of Physics, University of Tokyo), Takumi Kobayashi (Department of Physics, University of Tokyo), Koichi Todoroki (Department of Physics, University of Tokyo). 2. Reihe, v. l. n. r.: Anna Sótér (Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching), Susanne Friedreich (Stefan-Meyer-Institut für subatomare Physik der ÖAW, Wien), Daniel Barna (Department of Physics, University of Tokyo/ KFKI Research Institute for Particle and Nuclear Physics, Budapest)


Kontakt:
Prof. Dr. Eberhard Widmann
Dr. Bertalan Juhasz
Stefan Meyer Institut für subatomare Physik
Österreichische Akademie der Wissenschaften (ÖAW)
Boltzmanngasse 3, 1090 Wien
T +43 1 4277-29701
M +43 664 6127204
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