Rückschlag für „alternative Physik“: Die bisher genaueste Vermessung des Elektrons spricht gegen die Existenz einer Physik jenseits des Standardmodells. Denn die Ladung des Elektrons ist fast exakt kugelförmig – wie vom Standardmodell vorhergesagt. Dieses Messergebnis widerspricht damit alternativen Theorien wie der Supersymmetrie, nach der es noch unentdeckte schwere Elementarteilchen geben muss. „Offenbar müssen wir nun ernstlich umdenken“, konstatieren die Forscher im Fachmagazin „Nature“.
Es ist wie verhext: Einerseits beschreibt das Standardmodell der Teilchenphysik viele Phänomene des Kosmos und der Physik verblüffend gut – und immer wieder wird es durch Experimente und Messungen bestätigt. Andererseits jedoch klaffen in diesem Modell gewaltige Lücken. So kann es beispielsweise nicht erklären, woraus die Dunkle Materie besteht, warum die Materie nach dem Urknall über die Antimaterie dominierte oder wie die Gravitation ins Teilchenschema passt.
Dellen im Ladungsfeld
„Das Standardmodell kann so eigentlich nicht richtig sein“, sagt Gerald Gabrielse von der Northwestern University. „Denn es kann beispielsweise nicht erklären, warum unser Universum existiert – das ist eine ziemlich große Lücke.“ Deshalb vermuten viele Forscher, dass es eine „neue Physik“ jenseits des Standardmodells geben muss. Verschiedene alternative Theorien versuchen diese zu beschreiben, darunter die Supersymmetrie, die für jedes bekannte Teilchen einen noch unentdeckten schwereren Partner postuliert.
Ein Indiz für die Existenz noch unentdeckter schwerer Teilchen könnte sich im Elektron verbergen – in der Form seiner Elementarladung. „Fast alle alternativen Modelle besagen, dass die Elektronenladung gequetscht sein könnte“, sagt Gabrielse. Statt kugelrund müsste die Elementarladung dann leicht in eine Richtung verschoben sein – ein Effekt, der als elektrisches Dipolmoment (EDM) des Elektrons bezeichnet wird.
„Wenn wir entdeckt hätten, dass die Form der Elektronenladung nicht rund ist, dann wäre das die größte Physik-Schlagzeile der letzten Jahrzehnte gewesen“, sagt Gabrielse. „Bisher konnten wir dies aber nicht genau genug nachmessen.“
Fluoreszenz verrät Form der Elektronenladung
Jetzt jedoch haben die Physiker der „Advanced Cold Molecule Electron“ (ACME) -Kollaboration eine Methode entwickelt, die die Ladung des Elektrons zehnfach präziser als bisher vermessen kann. „Wenn ein Elektron die Größe der Erde hätte, dann könnten wir im Erdkern noch Abweichungen Millionen Mal kleiner als die Dicke eines menschlichen Haares erkennen – so sensitiv ist unsere Apparatur“, erklärt Gabrielse.
Für ihr Experiment schossen die Forscher einen Strahl ultrakalten Thoriummonoxiods (ThO) in eine magnetisch abgeschirmte Messkammer. Der Strahl enthielt rund eine Millionen Moleküle pro Puls, die zwischen zwei elektrisch geladenen Glasplatten hindurchflogen und deren Elektronen-Spins dabei durch einen Laser ausgerichtet wurden. Ein zweiter Laserstrahl regte die Moleküle an, Fluoreszenzlicht abzugeben.
Der Clou: An den Merkmalen dieses Lichts konnten die Physiker ablesen, wie rund die Elektronenladung ist. Denn gäbe es ein messbares Dipolmoment, dann müssten einige Elektronen leicht anders ausgerichtet sein als der Rest.
Das Standardmodell behält recht
Das Ergebnis: Das Elektron ist doch rund. Bei ihren Messungen fanden die Physiker keine Hinweise auf das von den alternativen Modellen postulierte elektrische Dipolmoment. Stattdessen bestätigen die ermittelten Werte das Standardmodell der Teilchenphysik, wie die Forscher betonen. Sollte es dennoch irgendwo unentdeckte exotische Teilchen geben, müssten sie demnach andere Eigenschaften haben als von den Hypothesen der neuen Physik postuliert.
„Unser Resultat sagt uns Wissenschaftlern, dass wir nun einige dieser alternativen Theorien ernstlich überdenken müssen“, sagt Koautor David DeMille von der Yale University. Er und seine Kollegen wollen nun ihr Experiment weiter optimieren, um die Messungen noch präziser zu machen. Doch solange nicht das Gegenteil bewiesen wird, bleibt das Elektron rund – und das Standardmodell trotz all seiner Lücken gültig. (Nature, 1018; doi: 10.1038/s41586-018-0599-8)
(National Science Foundation, Northwestern University, Yale University, 18.10.2018 – NPO)
