Atom
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Laut Lehrmeinung sollten sich die Eigenschaften von Materie und Antimaterie nicht unterscheiden. Der Nachweis dafür ist nun einem Physikerteam mit österreichischer Beteiligung gelungen: Die Forscher zeigten mit der bisher größten Genauigkeit, dass sich die Massen von Protonen und Antiprotonen gleichen.

Die Experimente am Kernforschungszentrum CERN in Genf analysierten das Massenverhältnis von Antiproton zu Elektron: Der gemessene Wert entspricht bereits früher durchgeführten Messungen des Proton-zu-Elektron-Massenverhältnisses überein, berichten die Forscher in einer Studie.

Bisher größte Genauigkeit

Die Physiker der Asacusa-Kollaboration (Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons) untersuchten mittels Laserspektroskopie ein exotisches Heliumatom, bei dem eines der beiden Elektronen durch ein Antiproton ersetzt wurde. Das Proton ist etwa 1.836-mal schwerer als das Elektron.

Für das Antiproton, dem Antimateriepartner des Protons, wurde dieses Verhältnis nun mit bisher nie erreichter Genauigkeit bestimmt - nämlich mit 1:1836,1526736, mit einer absoluten Messunsicherheit von 23 mal zehn hoch minus sieben. Das Ergebnis stimmt exakt mit dem mit gleicher Genauigkeit bestimmten Verhältnis von Proton- zu Elektronmasse überein, berichten die Forscher.

Die relative Messgenauigkeit laserspektroskopischer Messungen war bisher aufgrund des sogenannten Doppler-Effekts auf zehn hoch minus sieben bis zehn hoch minus acht beschränkt. Der durch die thermische Bewegung der antiprotonischen Heliumatome verursachte Effekt führt letztendlich zu einer eingeschränkten Genauigkeit bei der Bestimmung der Resonanzfrequenz.

Neue Messtechnik

Diese neuen Messungen wurden erstmals mit einer "Zwei-Photonen"-Technik durchgeführt, bei der statt eines Laserstrahls zwei entgegengesetzt gerichtete Laserstrahlen verwendet wurden, um einen Übergang zwischen zwei Energiezuständen anzuregen. Auf diese Art wird die Dopplerverbreiterung aufgehoben.

"Ein Vergleich der gemessenen Übergangsfrequenzen mit theoretischen Berechnungen zeigt, dass die Übereinstimmung mit der Theorie um einen Faktor fünf bis zehn besser ist als mit Ein-Photon-Spektroskopie", sagte Masaki Hori vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in München und Leiter des Experiments über den Erfolg der Zwei-Photonen-Spektroskopie laut Aussendung.

Diese Messung ist eine der genauesten Überprüfungen der Materie-Antimateriesymmetrie im Bereich der Hadronen, das heißt von Elementarteilchen, die aus drei Quarks aufgebaut sind.

Falls Unterschiede, dann sind sie sehr sehr klein

Die Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie findet ihren mathematischen Ausdruck in der sogenannten CPT-Symmetrie. Diese besagt, dass Teilchen und Antiteilchen gleiche Massen, Lebensdauer und gleich große, aber entgegengesetzte Ladung haben.

Genaue experimentelle Tests dieser Symmetrie sind aus mehreren Gründen interessant. Am wichtigsten: Obwohl bei der Entstehung des Universums im Urknall eigentlich gleich viel Materie wie Antimaterie erzeugt hätte werden sollen, zeigt die Beobachtung, dass das Weltall zum überwiegenden Teil aus Materie besteht - supergenaue Messungen von Teilchen und Antiteilchen könnten Hinweise auf eine mögliche Verletzung dieser Symmetrie ergeben.

Die neuen Messungen der Asacusa-Kollaboration deuten darauf hin, dass eine Abweichung der Massen (bzw. Ladungen) von Proton und Antiproton kleiner als sieben mal zehn hoch minus zehn sein muss. "Diese Abweichung entspricht ungefähr der Gewichtsdifferenz, den eine Biene auf dem Riesenrad im Prater ausmachen würde", so Eberhard Widmann, Direktor des an der Studie beteiligten Stefan-Meyer-Instituts für subatomare Physik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften.

science.ORF.at/APA

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