Gespiegeltes Antiteilchen

Protonen und Antiprotonen sind – im Rahmen der Messgenauigkeit – exakte physikalische Spiegelbilder. Das zeigen Messungen eines internationalen Teams am Teilchenforschungszentrum CERN in der Schweiz. Demnach weicht das Verhältnis von Ladung zu Masse zwischen dem subatomaren Teilchen und seinem Antiteilchen um weniger als 69 Billionstel voneinander ab. Protonen und Antiprotonen zeigen also keine Verletzung der fundamentalen CPT-Symmetrie des Standardmodells der Teilchenphysik. Das Experiment bestätige außerdem mit hoher Genauigkeit das schwache Äquivalenzprinzip der Relativitätstheorie, so die Wissenschaftler im Fachblatt „Nature“.

Blick in eine Halle mit einer langen Reihe von technischen Geräten.
Blick in den Antiprotonen-Decelerator beim CERN

„Die CPT-Symmetrie bedeutet, dass alle fundamentalen Eigenschaften von Teilchen und ihren Antiteilchen bis auf ihr Vorzeichen identisch sind“, sagt Stefan Ulmer vom Forschungszentrum RIKEN im japanischen Saitama. Kehrt man in einem System von Teilchen die Ladung, die Parität genannte räumliche Orientierung und die Zeitrichtung um, so laufen alle Vorgänge in dem System bis auf diese Spiegelung völlig identisch ab. Soweit die Vorhersage des Standardmodells der Teilchenphysik, das bislang alle Erscheinungen in der subatomaren Welt mit hoher Genauigkeit beschreibt.

Doch das Standardmodell ist nicht vollständig, denn es umfasst mit der elektromagnetischen, der starken und der schwachen Wechselwirkung lediglich drei der vier fundamentalen Naturkräfte – die Gravitation fehlt bisher. Und es liefert keine Erklärung dafür, warum es im Universum nur Materie, aber keine aus Antiteilchen symmetrisch dazu aufgebaute Antimaterie gibt: Die symmetrischen Prozesse beim Urknall hätten doch Teilchen und Antiteilchen aller Art in identischen Mengen produzieren müssen. Deshalb suchen Physiker nach Phänomenen, die über das Standardmodell hinausweisen, etwa nach – wenn auch geringfügigen – Verletzungen der CPT-Symmetrie.

Solche Verletzungen könnten sich als Unterschiede zwischen Teilchen und Antiteilchen zeigen. Ulmer und seine Kollegen haben am CERN Protonen und Antiprotonen in einer magnetischen Falle untersucht. Die Partikel bewegen sich in der Falle auf Kreisbahnen, und aus der Frequenz dieser Bewegung konnten die Forscher das Verhältnis zwischen Ladung und Masse bestimmen. Innerhalb von 35 Tagen führte das Team 6500 Messungen durch – und fand keinerlei Abweichungen. Das Experiment verbessert frühere Messungen um das Vierfache, erreicht das gesetzte Ziel jedoch nicht. „Wir wollen die Genauigkeit nochmals um das Zehn- oder gar Hundertfache verbessern“, so die Forscher.

Da die Messungen im Gravitationsfeld der Erde stattfinden, zeigen sie auch, dass Protonen und Antiprotonen gleich stark angezogen werden. Die Differenz beträgt weniger als 870 Milliardstel. Das ist zugleich die bislang beste Bestätigung des schwachen Äquivalenzprinzips der Allgemeinen Relativitätstheorie für baryonische Materie.