Auf der Suche nach noch unentdeckten Regeln der Natur fahnden Forschende nach winzigen Abweichungen von den bekannten Gesetzen der Physik. Eine neue Studie mit Beteiligung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) zeigt nun, dass ausgerechnet Deuterium – die schwere Variante von Wasserstoff – für diese Suche ein besonders scharfes Werkzeug ist.

Wasserstoff ist das einfachste Atom: ein Proton im Kern, ein Elektron in der Hülle. Beim Deuterium kommt im Kern noch ein Neutron dazu. Chemisch ändert sich dadurch wenig, physikalisch aber viel. Das zusätzliche Neutron versetzt das Proton in eine weitaus stärkere innere Bewegung: Sein Impuls ist rund 100.000 Mal größer als im normalen Wasserstoff. Genau das macht Deuterium für Präzisionsexperimente so wertvoll. In einer neuen Studie, die in Physical Review Letters erschienen ist, haben Forschende diese Eigenschaft nun genutzt, um nach Hinweisen auf bislang unentdeckte Physik zu suchen. „Wir konnten bestimmte Symmetriebrechungen deutlich empfindlicher untersuchen“, erklärt Eberhard Widmann vom Marietta-Blau-Institut für Teilchenphysik der ÖAW und Mitautor der Studie.

Was, wenn die Naturgesetze nicht überall gleich sind?

Im Zentrum der Arbeit stehen zwei Grundpfeiler der modernen Physik: die Lorentz-Symmetrie und die CPT-Symmetrie. Die Lorentz-Symmetrie besagt, dass die Naturgesetze unabhängig davon gelten, wie ein Experiment im Raum ausgerichtet ist oder wie schnell sich jemand bewegt. Die CPT-Symmetrie beschreibt, dass Teilchen und ihre Antiteilchen spiegelbildlich miteinander verbunden sein müssen.

„Die CPT-Symmetrie ist eng mit der Materie-Antimaterie-Symmetrie verknüpft“, sagt Martin Simon, ebenso vom Marietta-Blau-Institut und Mitautor der Studie. „Bisher wurde in keinem Experiment eine Verletzung dieser kombinierten Symmetrie gefunden.“ Gerade deshalb suchen Forschende immer genauer. Denn eine noch so kleine Abweichung wäre ein Hinweis auf Physik jenseits des Standardmodells – also jenseits jener Theorie, die die bekannten Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen beschreibt, aber nicht alle offenen Fragen erklären kann. „Wenn man eine Verletzung dieser Symmetrien finden würde, wäre das ein wichtiger Hinweis darauf, in welche Richtung man das Modell erweitern muss“, sagt Widmann.

Eine Uhr im schweren Wasserstoff

Für ihre Messung nutzten die Forschenden eine Art innere Uhr des Deuteriumatoms: die sogenannte Hyperfeinstruktur. Sie entsteht durch die Wechselwirkung zwischen dem Elektron und dem Atomkern. Die dabei untersuchten Übergänge liegen bei rund 327 Megahertz, also im Radiofrequenzbereich. Die Idee: Wenn bestimmte Symmetrien verletzt wären, könnten sich die gemessenen Übergangsfrequenzen im Lauf der Zeit minimal verändern – abhängig davon, wie sich das Experiment durch die Erdrotation relativ zum Raum ausrichtet.

Gefunden haben die Forschenden keine solche Verletzung. Für die Präzisionsphysik ist aber auch das ein wichtiges Ergebnis. Denn wenn ein gesuchter Effekt nicht sichtbar wird, lässt sich daraus ableiten, wie groß er höchstens noch sein kann. „Wenn man nach einem Effekt sucht und nichts sieht, ist das kein Beweis, dass es ihn überhaupt nicht gibt. Man kann aber sagen: Größer als diese Grenze kann er in unserem Experiment nicht sein. Genau diesen Spielraum konnten wir für bestimmte Parameter deutlich verkleinern“, so Widmann.

Bis zu 100 Billionen Mal empfindlicher

Der entscheidende Vorteil liegt im Inneren des Deuteriumkerns. Während der Impuls des Protons im Wasserstoffkern sehr klein ist, ist er im Deuteriumkern rund 100.000 Mal größer. Weil die untersuchten Effekte im zugrunde liegenden theoretischen Rahmen stark von diesem Impuls abhängen, steigt die Empfindlichkeit der Messung besonders stark an. Für einige Parameter konnten die Forschenden frühere Grenzen aus Wasserstoff-Maser-Experimenten um vier beziehungsweise 14 Größenordnungen verbessern. Im besten Fall entspricht das einer Verbesserung um den Faktor 100 Billionen. Andere Parameter konnten erstmals überhaupt eingegrenzt werden.

Damit zeigt die Arbeit: Deuterium ist nicht nur eine schwere Variante von Wasserstoff, sondern ein besonders scharfes Werkzeug, um nach feinen Rissen in den bekannten Naturgesetzen zu suchen.

Blick auf Antimaterie

Langfristig berührt diese Forschung eine der großen offenen Fragen unseres Universums: Warum besteht das sichtbare Universum fast ausschließlich aus Materie, obwohl Materie und Antimaterie nach den bekannten Gesetzen weitgehend gleichberechtigt sein sollten? „Auf fundamentaler Ebene sind Materie und Antimaterie im Standardmodell komplette Spiegelbilder“, sagt Simon. „Wenn wir uns aber im Universum umschauen, sehen wir eindeutig einen Überhang an Materie.“ Ob Lorentz- oder CPT-Verletzungen dabei eine Rolle spielen, ist offen. Doch jedes empfindlichere Experiment verkleinert den Raum für mögliche Antworten.