Protonenspin erstmals direkt beobachtet

Wissenschaftlern ist es gelungen, den Spinflip eines einzelnen Protons nachzuweisen

Heidelberg/ Mainz/ Darmstadt - Das Proton besitzt wie das Elektron einen quantenmechanischen Eigendrehimpuls oder Spin. Dies ist schon lange bekannt, jedoch konnte der Protonenspin bisher nur indirekt in Teilchenensembles bestimmt werden. Eine Forscherkollaboration mehrerer deutscher Institute hat nun erstmals einen Spinflip - die Umkehrung des Drehimpulses - eines einzelnen Protons nachgewiesen.

Die Forscher hielten hierzu zunächst ein Proton in einer Penningfalle gefangen. Dabei werden geladene Teilchen mit elektromagnetischen Feldern gespeichert, um ihre Eigenschaften mit hoher Genauigkeit zu untersuchen. Weiterhin legten die Wissenschaftler ein inhomogenes Magnetfeld an die Penningfalle an, sodass sich die Frequenz des Protons, mit der es sich in der Falle bewegt, leicht änderte. Der Spin des Protons erzeugt ein magnetisches Moment, das sich wie ein winziger Stabmagnet verhält. Dadurch wechselwirkt er mit einem äußeren angelegten Magnetfeld. Die Wissenschaftler maßen die leichte Frequenzänderung des Protons, da diese abhängig von der Ausrichtung des Spins ist, konnten sie darauf schließen, ob ein Spinflip stattgefunden hat.

Das magnetische Moment des Protons ist 660 Mal kleiner als das eines Elektrons, wodurch es wesentlich schwerer zu bestimmen ist. Mit ihrem Experiment wollen die Forscher nun versuchen, das magnetische Moment zu messen. Da ihr Aufbau es auch erlaubt, das magnetische Moment eines Antiprotons zu bestimmen, erhoffen sich die Wissenschaftler neue Erkenntnisse zur Materie-Antimaterie-Symmetrie: Teilchen und Antiteilchen sollen der CPT-Symmetrie des Standardmodells nach identisches Verhalten aufzeigen und demnach ein gleiches magnetisches Moment besitzen. Die CPT-Symmetrie besagt, dass die selben physikalischen Gesetze gelten, wenn man Materie mit Antimaterie vertauscht und gleichzeitig das Experiment spiegelbildlich und zeitumgekehrt aufbaut.