Antimaterie im Doppel-Test

Rätsel bleibt: Auf der Suche nach Unterschieden zwischen Antimaterie und Materie haben Physiker die bisher genauesten Vergleichsmessungen durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass das Antiproton weder im Ladungs-Masse-Verhältnis noch in seiner Reaktion auf die Gravitation von seinem Materie-Gegenpart abweicht. Das bestätigt das Standardmodell  – und die Suche nach einem Symmetriebruch zwischen Materie und Antimaterie muss daher wohl weitergehen.

Eigentlich dürfte es unser Universum nicht geben: Weil beim Urknall genauso viel Antimaterie wie Materie entstand, hätten sich beide sofort gegenseitig auslöschen müssen – so die gängige Theorie. Denn Teilchen und ihre Antiteilchen gleichen sich zwar wie Bild und Spiegelbild, tragen aber entgegengesetzte Ladungen und Spins. Doch die große Annihilation fand nicht statt, stattdessen existiert unser Kosmos und wird von Materie dominiert.

Physiker vermuten deshalb, dass es einen Symmetriebruch geben muss – winzige Unterschiede in den Eigenschaften von Teilchen und ihren Gegenparts, durch die die Materie die Oberhand gewann. Bisher jedoch blieb ihre Suche danach weitgehend erfolglos: Magnetverhalten, Reaktion auf die starke Kernkraft und auch das Spektrum stimmen überein. Zwar gibt es Hinweise auf winzige Unterschiede im Zerfallsverhalten einiger Antiteilchen, diese allein können aber die Materiedominanz nicht erklären.

Kreiselnde Teilchen als Testobjekt

Deshalb haben sich Physiker am CERN-Forschungszentrum zwei weitere fundamentale Parameter vorgenommen: das Masse-Ladungs-Verhältnis und das von Einstein postulierte schwache Äquivalenzprinzip. Dieses besagt, dass alle Teilchen unabhängig von ihren Eigenschaften von der Gravitation gleich beschleunigt werden. Anders ausgedrückt: Ein Apfel aus Antimaterie müsste genauso schnell vom Baum fallen wie ein normaler Apfel.

Für ihre Messungen nutzten die Forscher das BASE-Experiment (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) am CERN. In diesem werden Antiprotonen erzeugt und in einer sogenannten Penningfalle gefangen. Deren Magnetfelder zwingen die Teilchen auf eine Kreisbahn – und das Tempo dieser rasend schnellen Umläufe hängt vom Masse-Ladungs-Verhältnis des Teilchens ab. Insgesamt führte das Team im Laufe von eineinhalb Jahren mehr als 24.000 Messungen dieser Kreiselfrequenz durch und verglichen diese Werte mit denen für das Proton.

Um die Mess-Genauigkeit zu optimieren, wählten die Physiker jedoch statt des Protons das negativ geladene Wasserstoff-Ion H^- als Vergleichsteilchen. Dieses trägt zwar zusätzlich zum Proton zwei Elektronen, deren Einflüsse sind aber wohlbekannt und lassen sich gut herausrechnen, wie das Team erklärt. Wichtiger sei, dass mit dem Wasserstoff-Ion kein Umpolen der Magnetfalle nötig sei, was größere Messunsicherheiten vermeide.

Masse-Ladungs-Verhältnis nahezu identisch

Das Ergebnis: Das Verhältnis von Ladung zu Masse ist bei Antiproton und Proton bis auf die 12. Stelle hinter dem Komma identisch. Die Messunsicherheit für diesen Wert liegt bei nur 16 Billionsteln. „Damit ist dieses Ergebnis 4,3-mal präziser als die besten vorhergehenden Vergleichswerte für dieses Verhältnis“, sagt BASE-Sprecher Stefan Ulmer. „Das Masse-Ladungs-Verhältnis ist damit die am genauesten vermessene Eigenschaft des Antiprotons.“

Dieses Ergebnis bestätigt damit, dass es in diesem Parameter keine offenkundige Symmetrieverletzung gibt. Das Standardmodell der Physik behält damit zumindest in diesem Punkt vorerst seine Gültigkeit.

Erdbahn als Äquivalenztest

Wie aber sieht es mit dem zweiten Parameter aus – dem Verhalten unter dem Einfluss der Gravitation? Hier half dem Physikerteam der Faktor Zeit: Weil sie ihre Messungen über eineinhalb Jahren hinweg wiederholten, konnten sie subtile Veränderungen der Gravitation im System Sonne-Erde einfangen. Denn im Jahresverlauf ändert sich der Abstand der Erde zur Sonne und damit auch deren Schwerkrafteinfluss.

Diese subtilen Schwankungen des Gravitationspotenzials sind im Alltag nicht spürbar, wirken sich aber auf die im BASE-Experiment kreiselnden Antiteilchen und Teilchen aus. Wenn Antimaterie und Materie unterschiedlich stark auf Schwerkrafteinflüsse reagieren, müssten sich daraus Differenzen in ihrer Kreiselgeschwindigkeit ergeben. Doch das war nicht der Fall. „Unsere Messungen begrenzen eine Verletzung des schwachen Äquivalenzprinzips auf weniger als drei Hundertstel“, berichten die Forscher.

„Das BASE-Experiment hat zwar keine Falltests mit Antimaterie gemacht, aber unsere Messung des Gravitations-Einflusses ist vom Konzept her sehr ähnlich – und zeigt keinen Hinweis auf eine anomale Interaktion zwischen Antimaterie und Schwerkraft“, sagt Ulmer. Damit haben er und sein Team den Raum, in dem sich noch Symmetrieverletzungen verbergen können, für diese beiden Parameter weiter eingeengt. (Nature, 2022; doi: 10.1038/s41586-021-04203-w)

Quelle: CERN, RIKEN, Nature