Einer internationalen Kollaboration unter Beteiligung des Stefan Meyer Instituts für subatomare Physik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) ist es bei einem Experiment am CERN in Genf erstmals gelungen, die Masse des Antiprotons mit einer bisher nicht erreichten Genauigkeit zu bestimmen. Die Ergebnisse werden im Fachblatt Physical Review Letters (online:19.6.2006, Print:23.6.2006) veröffentlicht.

Physiker 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. Um die extrem hohe Genauigkeit zu erreichen, verwendeten sie einen sogenannten Frequenzkamm.

Das Proton ist etwa 1836 mal schwerer als das Elektron. Für das Antiproton, den Antimateriepartner des Protons, wurde dieses Verhältnis nun erstmals genau bestimmt, nämlich 1:1836,153674 mit einem Fehler von +/-5 in der letzten Stelle. Dieser Wert stimmt innerhalb des Fehlers mit demjenigen des Protons überein, was bedeutet, dass die Massen von Proton und Antiproton auf etwa 2 parts-per-billion, ppb (2 mal 10 hoch -9) übereinstimmen. In der relativen Genauigkeit ist die neue Messung eine Verbesserung einer früheren Messung derselben Gruppe um einen Faktor 5.

Die neue Messung ist eine der genauesten Überprüfungen der Materie-Antimateriesymmetrie im Bereich der Hadronen, d.h. 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 gleiche, aber entgegengesetzte Ladung haben.

Genaue experimentelle Überprüfungen dieser Symmetrie sind aus verschiedenen Gründen notwendig: Zum Beispiel wird die CPT Symmetrie in der String-Theorie nicht notwendigerweise erhalten. Die String-Theorie wird allgemein als viel versprechender Kandidat für die Erweiterung des bisherigen Standardmodells der Teilchenphysik angesehen. Ein weiterer Hinweis auf eine mögliche Verletzung der CPT Symmetrie kommt von der 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.

Eine ebenfalls mögliche Auswirkung dieses Resultats liegt im Bereich der fundamentalen Konstanten, zu denen das Verhältnis Proton-zu-Elektronenmasse genauso wie das Verhältnis Antiproton-zu-Elektronenmasse gehören. Die jetzige Genauigkeit des Wertes für das Antiproton entspricht der Genauigkeit des Protonenwertes von 1998. "Eine weitere Verbesserung der Messungen könnte dazu führen, dass eines Tages die Masse des Antiprotons genauer bekannt sein wird als die des Protons", sagt Eberhard Widmann, Leiter des Stefan Meyer Institut für subatomare Physik der ÖAW.

An der ASACUSA Kollaboration sind Physiker aus Österreich, Japan, Ungarn und der Schweiz 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.

Materie - Antimaterie Symetrie - ASACUSA am CERN-AD

Innerhalb des ASACUSA-Programmes ist das SMI an der Präzisionsspektroskopie von antiprotonischem Helium und der Entwicklung einer Spektrometer-Strahlführung zur Messung der Grundzustands-Hyperfeinaufspaltung von Antiwasserstoff beteiligt. Diese Experimente untersuchen sowohl die Materie/Antimaterie-Symetrie (CPT-Symetrie) als auch die Genauigkeit der state-of-the-art Drei-Körper-QED-Berechnungen mittels Präzisionslaser- und Mikrowellenspekroskopie von Atomen, welche Antiprotonen enthalten.

Laserspektroskopie von antiprotonischem Helium

Es wurde eine gründliche Analyse der Daten, welche 2004 mit einem neu entwickelten Lasersystem aufgenommen wurden, durchgeführt. Das Lasersystem erlaubt eine Messung der Übergangsfrequenzen des Antiprotons in dem exotischen Drei-Körper-System p-e^- - He⁺⁺ oder pHe⁺ mit erheblich höherer Präzision als zuvor. Durch die Dopplerverbreiterung können die Hyperfeinniveaus jedoch nicht aufgelöst werden und daher benötigt die Ermittlung der Linienschwerpunkte eine sehr aufwendige numerische Behandlung zur Lösung der optischen Bloch-Gleichungen für alle möglichen Übergänge zwischen den Hyperfeinquadruplets (4He) bzw. -oktets (3He). Die experimentellen Ergebnisse können nun mit den neuesten Drei-Körper-QED-Berechnungen von V.I. Korobov aus Dubna, welcher 2005 zweimal am SMI zu Gast war, verglichen werden. Da er den numerischen Wert der Protonenmasse für seine Berechnungen verwendet wird, ergibt sich aus dem Vergleich zwischen den theoretischen und experimentellen Werten ein CPT-Test für die Gleichheit der Protonen- und Antiprotonenmasse. Die maximale Differenz der Massen und Ladungen des Protons und Antiprotons ist dadurch auf 2 ppb (2x 10-9) limitiert - dies ist um einen Faktor 5 besser als unsere bisherigen Ergebnisse. Aus dem Vergleich Experiment - Theorie konnte auch zum ersten Mal ein numerischer Wert des Antiproton-zu-Elektron-Massenverhältnisses angegeben werden:  1836,153674 +/- 0,000005:

Determination of the Antiproton-to-Electron Mass Ratio by Precision Laser Spectroscopy of pHe⁺
M. Hori, A. Dax, J. Eades, K. Gomikawa, R. S. Hayano, N. Ono, W. Pirkl, E. Widmann, H. A. Torii, B. Juhász, D. Barna, and D. Horváth,  Phys. Rev. Lett. 96, 243401 (2006)

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