„Die Massenverhältnisse sollen genau übereinstimmen“

Unsere Welt besteht nahezu vollständig aus Materie, doch für jedes Teilchen gibt es ein Gegenstück aus Antimaterie. Bis auf die elektrische Ladung – die genau umgekehrt ist – sollten sich Antimaterie und Materie in jeglicher Hinsicht gleichen. Das positiv geladene Proton und das negativ geladene Antiproton müssten demnach exakt die gleiche Masse besitzen. Diese Vorhersage der sogenannten CPT-Symmetrie haben Wissenschaftler nun am Forschungszentrum CERN mit neuen Messungen überprüft, indem sie sogenanntes antiprotonisches Helium fast bis auf den absoluten Nullpunkt heruntergekühlt und anschließend mit Lasern bestrahlt haben. Über die im Fachmagazin „Science“ veröffentlichten Ergebnisse sprach Welt der Physik mit dem beteiligten Forscher Masaki Hori vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching.

Welt der Physik: Was war das Ziel Ihres Experiments?

Masaki Hori: Wir nehmen an, dass die Naturgesetze von einer grundlegenden Symmetrie geprägt sind. Nur einmal angenommen, man könnte alle Materie im Universum mit Antimaterie ersetzen, und sich alles durch einen Spiegel anschauen, und dann noch die Richtung der Zeit auf der subatomaren Ebene umkehren, würde dieses neue Universum genauso wie das Universum ausschauen, in dem wir leben. Das ist die sogenannte CPT-Symmetrie, die fundamentalste Symmetrie, an die wir in der Physik glauben. Für jedes Teilchen gibt es ein Antiteilchen, und eine der Vorhersagen dieser CPT-Symmetrie besagt, dass das Proton und das Antiproton die exakt gleiche Masse haben sollten. Diese Vorhersage wollten wir überprüfen.

Foto des Wissenschaftlers, der an einem optisches System für Laserstrahlen arbeitet
Masaki Hori vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Wie können Sie diese Vorhersage überprüfen?

In unserem Experiment bestimmen wir das Massenverhältnis von Antiproton zum Elektron. Ein Proton ist rund 1836-mal schwerer als ein Elektron, und für das Verhältnis von Antiproton zu Elektron sollte dasselbe gelten. Würden wir nur eine noch so kleine Abweichung der Masse des Antiprotons von der Masse des Protons messen, würde das bedeuten, dass die CPT-Symmetrie verletzt wäre.

Wie kann man dieses Massenverhältnis bestimmen?

Unser Experiment am Forschungszentrum CERN steht am sogenannten „Antiproton Decelerator“, der uns Antiprotonen zur Verfügung stellt. Mit diesen Antiprotonen erzeugen wir künstliche Atome, deren Kern aus zwei Protonen und zwei Neutronen besteht – wie beim Helium. Nur kreisen um einen Heliumkern normalerweise zwei negativ geladene Elektronen. Wir haben in unserem künstlichen Atom nun eines der Elektronen durch ein Antiproton ersetzt, dass ja dieselbe Ladung besitzt wie ein Elektron. So ein Atom – aus einem Heliumkern, um den ein Elektron und ein Antiproton kreisen – nennt man antiprotonisches Helium.

Was machen Sie mit dem antiprotonischen Helium?

Wir wenden Laserspektroskopie an. Das Antiproton läuft auf ganz bestimmten Bahnen um den Kern, und diese Bahnen befinden sich auf unterschiedlichen Energieniveaus. Wenn Laserlicht mit einer gewissen Frequenz auf das Atom gestrahlt wird, können wir das Antiproton dazu anregen, von einem Energieniveau auf ein höher gelegenes Energieniveau zu springen. Je nach der Masse des Antiprotons funktioniert das nur bei ganz bestimmten Frequenzen. Indem wir also die Frequenz unseres Laserlichts mit theoretischen Berechnungen vergleichen, können wir daraus das Verhältnis von Antiprotonenmasse und Elektronenmasse ableiten.

Das Experiment, das Sie jetzt durchgeführt haben, läuft bereits seit mehreren Jahren. Welche Verbesserung war jetzt möglich?

Das Foto zeigt einen Teil des  Antiproton Decelerators am Forschungszentrum CERN.
Antiproton Decelerator am CERN

Das stimmt, wir führen diese Experimente schon seit Jahren durch. Aber das Problem dabei ist, dass sich das antiprotonische Helium selbst bewegt – so wie sich auch normale Atome oder beispielsweise die Moleküle in der Luft bewegen. Diese Bewegung führt zu einer Unsicherheit in der gemessenen Frequenz, weil sich ein paar Atome auf den Laserstrahl zubewegen, manche von ihm weg. Je kälter die Atome sind, desto langsamer bewegen sie sich. Wenn wir das antiprotonische Helium also abkühlen, können wir die Frequenz genauer vermessen. Doch wir mussten erst einmal eine Methode finden, um diese exotischen Atome abzukühlen.

Wie haben Sie das geschafft?

Wir lassen das antiprotonische Helium auf normales Heliumgas treffen, das extrem kalt ist: Die Temperatur beträgt nur etwa 1,3 Kelvin, also rund ein Grad über dem absoluten Nullpunkt. Wenn Materie und Antimaterie aufeinandertreffen, vernichten sie sich normalerweise gegenseitig. Aber im Fall des antiprotonischen Heliums bewahrt das Elektron in der Hülle das Antiproton davor, sofort vernichtet zu werden. Das antiprotonische Helium kann bis zu zehn Mikrosekunden überleben, während es mit dem normalen Helium kollidiert und dadurch auf 1,7 bis 1,5 Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt wird. Das ist das erste Mal, dass mit dieser Methode ein derartiges Atom auf eine solch niedrige Temperatur abgekühlt worden ist. So konnten wir über einen Zeitraum von drei Jahren zwei Milliarden der exotischen Atome abkühlen und Laserspektroskopie durchführen. Dadurch gelang es uns, das Massenverhältnis viel genauer zu bestimmen, als es bislang möglich war.

Was war das Ergebnis des Experiments?

Wir haben keine Abweichung von der CPT-Symmetrie festgestellt. Das Massenverhältnis von Proton zu Elektron – das 2014 höchst genau bestimmt wurde – und unser Wert vom Massenverhältnis von Antiproton zu Elektron stimmen innerhalb der Messgenauigkeit überein.

Was sind die zukünftigen Pläne für das Experiment?

Wir werden versuchen, die Präzision noch weiter zu erhöhen, beispielsweise indem wir das antiprotonische Helium noch weiter abkühlen oder die Methoden der Laserspektroskopie verbessern. Die CPT-Symmetrie sagt voraus, dass die Massen von Proton und Antiproton genau übereinstimmen sollten – auch, wenn man diesen Wert mit unendlich großer Präzision bestimmen könnte. Und das möchten wir so gut wie möglich überprüfen.