Einer Forscherkollaboration ist erstmals der Nachweis von Spin-Quantensprüngen eines einzelnen Protons gelungen – und damit ein entscheidender Schritt hin zu einer Hochpräzisionsmessung der magnetischen Eigenschaften des Protons. Der jetzt in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlichte Durchbruch basiert auf der Beobachtung eines einzelnen Protons, das in einer elektromagnetischen Teilchenfalle gespeichert ist. Das gleiche Prinzip könnte auch auf ein Antiproton angewendet werden und dann dazu beitragen, die Frage des Materie-Antimaterie-Ungleichgewichts im Universum zu lösen.
Das Proton besitzt, wie andere Teilchen auch, eine Art Eigendrehimpuls, den Spin. Es ist mit einem winzigen Stabmagneten vergleichbar: ein Spin-Quantensprung entspricht dem Umklappen der Magnetpole. Der Nachweis des Protonenspins ist allerdings eine große Herausforderung. Während beim Elektron und seinem Antiteilchen, dem Positron, bereits in den 1980er Jahren die magnetischen Momente gemessen und verglichen wurden, ist dies bei einem Proton bislang nicht gelungen. Die besondere Schwierigkeit liegt darin, dass das magnetische Moment des Protons etwa 660-mal kleiner ist als das des Elektrons. Das Mess-Signal ist also wesentlich geringer.
Erster Nachweis der Spinrichtung
Forschern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und des Helmholtz-Instituts Mainz (HIM) ist jetzt gemeinsam mit Kollegen des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg und dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung Darmstadt dieser schwierige Nachweis von Spin-Quantensprüngen eines einzelnen Protons erstmals gelungen. Die Forscherkollaboration hat dafür in fünfjährigen Vorarbeiten ein Präzisionsexperiment entwickelt, das nun die Feuerprobe bestanden hat. Das Messprinzip basiert auf der Beobachtung eines einzelnen Protons, das in einer elektromagnetischen Teilchenfalle gespeichert ist. „Der erste Nachweis der Spin-Richtung eines Protons ist in unserer Falle gelungen“, freut sich Stefan Ulmer vom Helmholtz-Institut Mainz.
Weg frei auch für Antimaterie-Vermessung
Damit ist der Weg frei für direkte Hochpräzisionsmessungen des magnetischen Moments sowohl eines Protons als auch eines Antiprotons. Letzteres stellt damit auch eine Perspektive in Aussicht, die Frage des Materie-Antimaterie-Ungleichgewichts im Universum zu lösen. Die in den Mainzer Labors angewandte Messmethode kann die Messgenauigkeit von bisher nur drei Nachkommastellen um das eine Million-fache erhöhen und würde einen hochempfindlichen Test der CPT-Symmetrie darstellen, welche für das physikalische Weltbild fundamental ist. Die erstmalige Beobachtung von Spin-Quantensprüngen eines einzelnen Protons ist der größte Durchbruch auf dem Weg zu diesem Ziel.
Die Materie-Antimaterie-Symmetrie ist einer der wichtigsten Grundpfeiler des Standardmodels der Elementarteilchenphysik. Nach diesem Modell verhalten sich Teilchen und Antiteilchen nach simultaner Anwendung von Ladungsumkehr, Ortsspiegelung und Zeitumkehr – als CPT-Transformation bezeichnet – identisch. Hochpräzisionsvergleiche der fundamentalen Eigenschaften von Teilchen und Antiteilchen ermöglichen den empfindlichen Test dieses Symmetrieverhaltens und geben Hinweise auf eine Physik jenseits des Standardmodels. Die Messung einer Abweichung der magnetischen Momente von Proton und Antiproton würde das Fenster zu dieser „neuen Physik“ öffnen. (Physical Review Letters, 2011; DOI: 10.1103/PhysRevLett.106.253001)
(Universität Mainz, 22.06.2011 – NPO)
