Masse des Elektrons präziser bestimmt

Kaum ein Elementarteilchen ist besser vermessen als das Elektron. Seine Masse kennen Physiker allerdings bislang noch nicht so genau wie viele andere seiner Eigen­schaften. Wissenschaftler um Sven Sturm vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg arbeiten jedoch daran: Mit einem neuen Verfahren konnte das Team die Elektronenmasse nun 13-fach genauer bestimmen, als es bislang möglich war. Über ihre Ergebnisse berichten sie im Fachjournal „Nature“.

Links ein schräg gestellter Zylinder, darin eine Kugel, die von einer kleineren Kugel umkreist wird. Rechts eine Bahn, die sich in Wellen senkrecht um eine Kreisbahn windet. Die Kreiselbewegung des Elektronenspins schraubt sich um diese Wellenbahn herum, wie eine Feder, die man abwechselnd nach oben und unten auseinanderzieht.
Penningfalle als Elektronenwaage

„Die geringe Masse des Elektrons macht eine genaue Bestimmung ziemlich schwierig“, berichtet Sturm. Elektronen sind rund zweitausendmal leichter als Protonen oder Neutronen, aus denen Atomkerne bestehen. Bereits kleinste äußere Einflüsse können deshalb die Bestimmung der Elektronmasse stören. Die Physiker entwickelten deshalb ein neue Messmethode. In ihrem Experiment flog ein fünffach ionisiertes Kohlenstoffatom, dem die Forscher vorher alle Elektronen außer einem einzigen abgestreift hatten, zwischen zwei Atomfallen hin und her. Diese sogenannten Penningfallen können einzelne Atome mithilfe magnetischer und elektrischer Felder einschließen und eignen sich deshalb gut für Hochpräzisionsmessungen. In der ersten Falle bestimmten die Forscher den Zustand des Elektrons, das allein um den Kohlenstoffkern kreist. In der zweiten Falle bestrahlten sie es mit Mikrowellen. Dann transportierten sie das Atom wieder zurück zur ersten Falle, wo sie erneut den Zustand des Elektrons vermaßen. Indem sie dieses Spiel viele Male wiederholten, konnten sie aus den gemessenen Schwingungsfrequenzen sehr exakt die Masse des Elektrons bestimmen.

Das Ergebnis ist eine ungeheuer präzise Zahl: Das Elektron wiegt demnach ein 1836,15267377-stel der Protonenmasse. Will man seine Masse in Kilogramm umrechnen, kommt man auf knapp 10–30 Kilogramm, also dreißig Nullen hinter dem Komma. Der neue Wert ist nun so genau bekannt, dass der relative Messfehler nur rund den dreißigsten Teil einer Milliarde ausmacht. Damit schließen die Forscher eine wichtige Lücke. Denn auch zahlreiche andere Naturkonstanten werden in den kommenden Jahren mit immer höherer Präzision bestimmt werden, womit sich physikalische Theorien besser prüfen lassen. Denn sollte sich zwischen den theoretisch berechneten und den experimentell bestimmten Werten eine Diskrepanz zeigen, würde das die gegenwärtigen Theorien widerlegen.