Protonen und Antiprotonen

Urknall - Rekordmessung am CERN gelungen

Robert Klatt

Penning-Falle des CERN zur Messung von Protonen und Antiprotonen )SAB/remlU nafetS ,renlleS nafetSnenotorpitnA dnu nenotorP nov gnusseM ruz NREC sed ellaF-gninneP(Foto: © 

Physikern der Europäischem Organisation für Kernforschung (CERN) haben Protonen und Antiprotonen mit zuvor unerreichter Präzision vermessen. Das Experiment sollte klären, wieso sich beim Urknall Materie und Antimaterie nicht gegenseitig ausgelöscht haben.

Genf (Schweiz). Die Europäische Organisation für Kernforschung (CERN) untersucht, wie das Universum entstanden ist. Es geht dabei um grundlegende Fragen unserer Existenz, etwa darum, wieso sich beim Urknall Materie und Antimaterie nicht gegenseitig ausgelöscht haben. Antimaterie sind Antiteilchen, die zu jedem Elementarteilchen, dies sind die kleinsten bekannten Bausteine der Materie, bestehen. Kollidieren Teilchen und Antiteilchen miteinander, vernichtet sich das Paar laut den aktuellen Standardmodellen der Physik gegenseitig.

„Wenn wir die Urknalltheorie und das Standardmodell der Teilchenphysik vereinigen, gibt es eigentlich keinen Grund, warum das Universum entstehen sollte. Das müsste auch beim Urknall passiert sein - ist es aber nicht, denn wir existieren ja“, erklärt der Physiker Stefan Ulmer der Deutschen Presse-Agentur (DPA). Die Frage „warum existieren wir?“ können die Standardmodelle der Physik also noch nicht beantworten. Laut ihnen müssten sich nämlich Materie und Antimaterie beim Urknall vollständig gegenseitig ausgelöscht haben.

Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie?

Laut einer Theorie der Physik ist dies nicht geschehen, weil zwischen Materie und Antimaterie eine minimale Asymmetrie besteht. Wenn Protonen schwerer als Antiprotonen wären, würde dies dazu führen, dass diese durch eine Kollision nicht vollständig ausgelöscht werden, sondern dass noch einige Protonen übrig bleiben würden.

Protonen und Antiprotonen vermessen

Das Team um Ulmer hat im Baryon-Antibaryon-Symmetrie-Experiments (BASE) deshalb Protonen und Antiprotonen mit einer zuvor nie erreichten Präzision vermessen. Laut ihrer Publikation im Fachmagazin Nature verglichen die Forscher in ihrem Experiment die Masse von Protonen und Antiprotonen auf 11 Kommastellen.

Gemessen wurden die Protonen und Antiprotonen in einem elektromagnetischen Container. Die rund 25 Zentimeter lange Penning-Falle ermöglichte es den Physikern, die Schwingungen von Proton und Antiproton aufzeichnen und zu vergleichen. Dabei konnten sie jedoch keinen Unterschied feststellen.

„Wir haben mit hoher Messpräzision ausgeschlossen, dass der Unterschied zwischen Materie und Antimaterie auf einer Differenz der Masse beruht“, erklärt Ulmer. Es ist aber dennoch möglich, Unterschiede auf einem noch mikroskopischeren bisher nicht messbaren Level bestehen. Auf Basis der aktuell vorliegenden Messergebnisse kann jedoch nicht beantwortet werden, wieso sich beim Urknall Materie und Antimaterie nicht gegenseitig ausgelöscht haben.

Magnetische Moment von Materie und Antimaterie

In kommenden Experimenten wollen die Physiker deshalb untersuchen, ob sich statt der Masse eventuell das magnetische Moment von Materie und Antimaterie unterscheiden. Das Schwingen der Teilchen um die eigene Achse soll ebenfalls mit deutlich höherer Präzision ermittelt werden. „Wir können jetzt mit einer mindestens zehnmal höheren Genauigkeit messen als bislang“, erklärt Ulmer.

Nature, doi: 10.1038/s41586-021-04203-w

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