Nahe an der perfekten Kugel

Die Ladung ist – neben Masse und Spin – eine der grundlegenden physikalischen Eigenschaften des Elektrons. Wie sich die Ladung innerhalb eines Elektrons verteilt, können Physiker allerdings nur bis zu einer bestimmten Genauigkeit messen. Laut Standardmodell der Teilchenphysik verteilt sich die Ladung im Elektron nicht kugelförmig, sondern etwas unregelmäßig. Diese Verformung des Elektrons sollte sich in einem winzigen sogenannten elektrischen Dipolmoment äußern.

In neuesten Präzisionsmessungen an polaren Molekülen – das sind Moleküle mit räumlich getrennten Ladungspolen – konnte ein Forscherteam um Jacob Baron von der Harvard University in Cambridge hingegen kein elektrisches Dipolmoment feststellen. Aus ihrer Messgenauigkeit, die Vorgängerexperimente etwa um das Zehnfache übertrifft, schließen sie auf eine nahezu perfekte Kugelform der Elektronenladung. Damit setzen die Forscher eine neue Obergrenze für ein mögliches elektrisches Dipolmoment des Elektrons, berichten sie im Fachblatt „Science“.

Um das elektrische Dipolmoment eines Körpers zu messen, benötigt man ein elektrisches Feld, das eine Kraft auf ihn ausübt. Elektrische Felder, wie sie im Labor erzeugt werden können, reichen den Forschern jedoch nicht aus, um das winzige elektrische Dipolmoment eines Elektrons zu messen. Baron und seine Kollegen nutzten daher einen Effekt im Inneren von polaren Molekülen: Eines der Atome zieht die gemeinsame Elektronenwolke stärker zu sich heran als das andere, sodass die Schwerpunkte von positiver und negativer Ladung nicht mehr zusammenfallen. Dadurch baut sich im Molekül ein elektrisches Feld auf, das stärker auf die Elektronen in der Wolke wirkt als jedes künstlich erzeugte Laborfeld.

Blick in die Vakuumkammer, ein zylindrischer Hohlkörper aus Metall. Hinten im Bild eine kreisförmige Öffnung, in der senkrechte Goldbänder verlaufen. Zwischen den Bändern befindet sich ein quadratisches Loch, das den Durchmesser des Molekülstrahls begrenzt.
Blick in die Vakuumkammer

Das Forscherteam lenkte zunächst einen tiefgekühlten Strahl aus polaren Thoriummonoxidmolekülen in das elektrische Feld zweier paralleler Platten. Dort richteten sich die Moleküle derart aus, dass sie die Messung nicht mehr durch Drehbewegungen stören konnten. Anschließend versetzten Laserstrahlen die Moleküle in einen bestimmten angeregten Zustand. Nun machte sich das elektrische Dipolmoment der Molekülelektronen bemerkbar: über eine kleine Veränderung ihres Elektronenspins, die dem klassischen Taumeln eines Kreisels ähnelt. Mithilfe weiterer Laserstrahlen konnten die Forscher diese taumelnde Bewegung messen und daraus das elektrische Dipolmoment berechnen – mit einer zehnmal höheren Genauigkeit als ihre Vorgänger, die mit Ytterbiumfluorid experimentiert hatten.

Die neue Obergrenze des elektrischen Dipolmoments des Elektrons lautet nun 8,7 × 10-29 e⋅cm, wobei e die Elementarladung bezeichnet. Der Wert von nahezu – oder möglicherweise exakt – Null bedeutet, dass die Ladung des Elektrons fast die Form einer perfekten Kugel hat. Das könnte nicht nur Folgen für das Standardmodell der Teilchenphysik haben, sondern auch für dessen Erweiterungen, etwa die Supersymmetrie. „Es ist erstaunlich, dass einige der vorhergesagten supersymmetrischen Teilchen das Elektron in eine Art Eierform drücken würden“, erklärt Ko-Autor John Doyle von der Harvard University. „Unser Experiment sagt uns, dass dies bei der gegebenen Messempfindlichkeit nicht passiert.“ Die Forscher glauben, die Präzision ihrer Messungen in den nächsten Jahren weiter steigern zu können. Damit könnte ihr „Tischexperiment“ großen Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider Konkurrenz machen, wenn es um die Entdeckung neuer Teilchen geht.