Mit einem extrem präzisen Experiment haben Forscher versucht, das elektrische Dipolmoment des Neutrons zu messen – vergeblich. Das ist ein Rückschlag für das Verständnis unseres Universums.
Auf der Suche nach einem umfassenderen Modell haben Forscher am Paul-Scherrer-Institut (PSI) in Villigen das elektrische Dipolmoment des Neutrons vermessen. Dieses subatomare Teilchen ist elektrisch neutral. Es könnte jedoch sein, dass seine positiven und negativen Ladungen geringfügig gegeneinander verschoben sind, so dass das Teilchen einen positiven und einen negativen Pol besitzt und sich gewisser- massen wie ein elektrischer Kompass verhält. Die Messungen am PSI schliessen diese Möglichkeit zwar nicht völlig aus, grenzen sie jedoch weiter ein. Das elektrische Dipolmoment des Neutrons muss demnach noch kleiner sein, als es frühere Messungen nahegelegt hatten.
Was die Vermessung des Neutrons mit der asymmetrischen Verteilung von Materie und Antimaterie im Universum zu tun hat, erschliesst sich nicht auf den ersten Blick. Tatsächlich ist es jedoch so, dass ein elektrisches Dipolmoment dieses Teilchens gegen eine fundamentale Symmetrie der Natur verstossen würde. Diese sogenannte CP-Invarianz besagt, dass sich die Physik nicht ändert, wenn man alle Teilchen durch ihre Antiteilchen ersetzt und gleichzeitig den Raum spiegelt. Bereits in den 1960er Jahren erkannte der russische Physiker Andrei Sacharow, dass eine Verletzung dieser Symmetrie eine notwendige Voraus- setzung ist, damit die Materie kurz nach dem Urknall die Oberhand über die Antimaterie gewinnen konnte.
Inzwischen weiss man, dass es in der Natur tatsächlich Prozesse gibt, die die CP-Symmetrie verletzen. So hat man an Teilchenbeschleunigern beobachtet, dass manche Teilchen anders zerfallen als ihre Antiteil- chen. Das Standardmodell der Teilchenphysik trägt dieser Asymmetrie Rechnung. Das Problem ist jedoch, dass die CP-Verletzung im Standardmodell unnatürlich klein ist und nicht annähernd ausreicht, um die Dominanz der Materie im Universum zu erklären.
Tatsächlich gibt es teilchenphysikalische Modelle, die eine stärkere Verletzung der CP-Symmetrie voraus- sagen. Hierzu gehören zum Beispiel supersymmetrische Teilchenmodelle oder Modelle mit mehreren Higgs-Teilchen. Ob diese Modelle der Realität gerecht werden, können nur Experimente zeigen. Und hier kommt das Neutron ins Spiel. Denn die stärkere CP-Verletzung lässt auch ein grösseres elektrisches Dipol- moment dieses Teilchens erwarten. Eine präzise Vermessung des Neutrons kann deshalb wertvolle Hinwei- se liefern, wie ein besseres Modell aussehen könnte – oder dabei helfen, solche Modelle auszuschliessen.
Kein anderes Experiment habe in der Vergangenheit ähnlich viele Theorien gekillt wie die Vermessung des elektrischen Dipolmoments des Neutrons, sagt Philipp Schmidt-Wellenburg vom PSI. In dieser Tradition bewegt sich auch die neue Präzisionsmessung am PSI. Das Messprinzip ist dabei ähnlich wie das von früheren Experimenten in Sussex und St. Petersburg. Langsame Neutronen werden in einer Falle einge- fangen und elektrischen und magnetischen Feldern ausgesetzt. Gemessen wird, mit welcher Frequenz das magnetische Dipolmoment der Neutronen um die Richtung des äusseren Magnetfelds kreiselt. Ändert sich diese Frequenz mit dem angelegten elektrischen Feld, ist das ein Zeichen dafür, dass das Neutron neben seinem magnetischen auch ein elektrisches Dipolmoment besitzt.
Die Forscher verwendeten grosse Sorgfalt darauf, systematische Messfehler in den Griff zu bekommen. Das schlug sich in einer höheren Messgenauigkeit nieder. Aus dem Nullergebnis folgt eine neue Ober- grenze für das elektrische Dipolmoment des Neutrons. Wie die Forscher in der Fachzeitschrift «Physical Review Letters» berichten, ist diese um 40 Prozent kleiner als die alte.
Was ist damit gewonnen? Das neue Messergebnis schränke den Spielraum für neue Physik jenseits des Standardmodells weiter ein, sagt Schmidt-Wellenburg. Allerdings sei die Verbesserung nicht so gross, dass theoretische Physiker nun weiche Knie zu bekommen brauchten. Die schärfere Obergrenze für CP-verlet- zende Prozesse lasse sich in vielen Fällen durch eine Justierung gewisser Parameter in diesen Modellen auffangen. Das gelte zum Beispiel für supersymmetrische Modelle.
Um solche Modelle ernsthaft in Bedrängnis zu bringen, müsste das elektrische Dipolmoment des Neutrons noch sehr viel genauer gemessen werden. Genau das ist am Paul-Scherrer-Institut geplant. Derzeit wird ein grösseres Experiment aufgebaut, das im Jahr 2021 in Betrieb gehen soll und eine Verbesserung um den Faktor zehn verspricht. Falls auch das nicht reicht, um das elektrische Dipolmoment des Neutrons zu messen, müssten sich die Teilchenphysiker ernsthaft Gedanken darüber machen, ob das Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie im Universum möglicherweise eine ganz andere Ursache hat.
aus derStandard.at, 3. 3. 2020 Das Neutron besteht aus drei Quarks – einem up-Quark und zwei
down-Quarks. Ist ein Neutron nicht in einem Atomkern gebunden, ist es
instabil, allerdings mit vergleichsweise langer Halbwertszeit von etwa
10 Minuten. Dann verwandelt es sich durch Betazerfall in ein Proton, ein
Elektron und ein Elektron-Antineutrino.
Neutron soll Rätsel um Materie-Überschuss im Universum klären
Das Kernteilchen wurde genauer als je zuvor vermessen: Seine Größe wurde präziser bestimmt, beim elektrischen Dipolmoment war man weniger erfolgreich
Das Kernteilchen wurde genauer als je zuvor vermessen: Seine Größe wurde präziser bestimmt, beim elektrischen Dipolmoment war man weniger erfolgreich
Das Neutron feiert heuer einen runden Geburtstag: 1920 formulierte
Ernest Rutherford (also jener neuseeländische Physiker, der 1911 das
nach ihm benannte berühmte Atommodell entwickelt hat) die Hypothese,
dass die Kerne von Atomen aus positiv geladenen Protonen und neutralen
Partikeln bestehen. Zunächst hielt man diese jedoch für eine
Proton-Elektron-Kombination. Erst 12 Jahre später konnte James Chadwick,
ein Schüler Rutherfords, die Existenz des Neutrons als eigenständiges
Partikel experimentell nachweisen.
Obwohl seit seiner theoretischen Annahme hundert Jahre vergangen sind, blieben rund um das Neutron immer noch einige Fragen unbeantwortet – etwa, wie groß dieses Elementarteilchen genau ist. Die Größe von Neutronen ist nämlich nicht direkt messbar: Man kann sie nur aus Experimenten mit anderen Teilchen erschließen. Während solche Bestimmungen bisher auf alten Messungen mit schweren Atomen auf sehr indirekte Weise vorgenommen wurden, ist ein Team um Evgeny Epelbaum von der Ruhr-Universität Bochum (RUB) einen direkteren Weg gegangen.
Angenommene Größe muss korrigiert werden
"Im Inneren von Atomkernen gibt es positive und negative Ladungsbereiche, die beim Neutron zusammengenommen Null ergeben", erklärt Epelbaum. "Ihr Radius entspricht der örtlichen Ausdehnung der Ladungsverteilung. Er bestimmt somit die Größe der Neutronen." Bisherige Messungen dieser Größe basierten auf Streuexperimenten mit sehr niederenergetischen Neutronen an einer Elektronenhülle von schweren Atomen wie etwa Wismut. In einer theoretischen Studie ist es den Forschern nun gelungen, den Deuteron-Radius sehr genau zu berechnen. Das Deuteron ist einer der einfachsten Atomkerne und besteht aus einem Proton und einem Neutron.
"Unsere genaue Vorhersage des Deuteron-Radius kombiniert mit hochpräzisen spektroskopischen Messungen der Deuteron-Protonen-Radiusdifferenz ergab einen Wert für den Neutronenradius, der etwa 1,7 Standardabweichungen von den früheren Bestimmungen entfernt ist", fasst Vadim Baru von der Universität Bonn zusammen. Der bisher angenommene Wert für die Größe eines Neutrons müsse also korrigiert werden.
Der Herkunft der Materie im Universum auf der Spur
Einem anderen bedeutenden Aspekt des Neutrons wandten sich Forscher am Paul Scherrer Instituts (PSI) im Schweizer Villigen zu, dem sogenannten elektrischen Dipolmoment. Diese Eigenschaft des Neutrons hat das Potenzial, die Herkunft der gesamten heute im Universum existierenden Materie zu erklären. Beim Urknall entstand sowohl die Materie des Universums als auch Antimaterie – so zumindest die gängige Theorie. Da sich die beiden allerdings gegenseitig auslöschen, muss ein Überschuss an Materie entstanden sein, der bis heute übrig blieb. Die Ursache für diesen Materie-Überschuss ist eines der großen Rätsel der Physik und Astronomie.
Einen Hinweis auf das dahinterliegende Phänomen hoffen Wissenschafter unter anderem mithilfe von Neutronen zu finden. Die Vermutung: Hätte das Neutron ein elektrisches Dipolmoment (kurz: nEDM) mit einem messbaren Betrag ungleich null, könnte dahinter das gleiche physikalische Prinzip stecken, das auch den Überhang an Materie nach dem Urknall erklären würde.
Ist das Neutron ein "elektrischer Kompass"?
Die Suche nach dem nEDM lässt sich vereinfacht auf die Frage reduzieren, ob das Neutron ein "elektrischer Kompass" ist oder nicht. Schon lange ist klar, dass das Neutron ein magnetischer Kompass ist und auf ein Magnetfeld reagiert, oder im Fachjargon: ein magnetisches Dipolmoment hat. Sollte das Neutron zusätzlich auch ein elektrisches Dipolmoment haben, wäre dessen Wert sehr viel geringer – und daher ungleich schwieriger zu messen, das haben bereits frühere Messungen anderer Forschungsgruppen ergeben. Daher mussten die Wissenschafter von 18 Instituten und Hochschulen in Europa und den USA am PSI bei ihrer aktuellen Messung das lokale Magnetfeld mit hohem Aufwand sehr konstant halten.
Auch die Anzahl der beobachteten Neutronen musste entsprechend groß sein, um eine Chance zu haben, ihr nEDM zu messen. Am PSI liefen die nun im Fachjournal "Physical Review Letters" veröffentlichten Messungen daher über einen Zeitraum von zwei Jahren. Vermessen wurden sogenannte ultrakalte Neutronen, also Neutronen mit vergleichsweise langsamer Geschwindigkeit. Alle 300 Sekunden wurde für acht Sekunden ein Bündel mit über 10.000 Neutronen zum Experiment gelenkt und untersucht. Insgesamt vermassen die Forschenden 50.000 solcher Bündel.
Zu nahe an Null
Dabei zeigte sich letztlich, dass der Wert des elektrischen Dipolmoments beim Neutrons zu klein ist, um ihn mit den eingesetzten Instrumenten zu messen. "Der Wert ist zu nahe an Null", sagt Philipp Schmidt-Wellenburg vom PSI. "Es ist damit also unwahrscheinlicher geworden, dass das Neutron hilft, den Materie-Überschuss zu erklären. Aber ganz ausgeschlossen ist es weiterhin nicht."
Daher ist die nächste, noch genauere Messung bereits in Planung. "Als wir im Jahr 2010 die jetzige Quelle für ultrakalte Neutronen hier am PSI in Betrieb genommen haben, wussten wir bereits, dass das restliche Experiment ihr noch nicht gerecht wird. Daher bauen wir derzeit ein entsprechend größeres Experiment auf", erklärt Georg Bison, ebenfalls vom PSI. Ab 2021, so prognostizieren die Wissenschafter, soll daran die nächste Messreihe des nEDM starten und die jetzige wiederum in ihrer Genauigkeit übertreffen. (red.)
Abstracts
- Physical Review Letters: "Extraction of the Neutron Charge Radius from a Precision Calculation of the Deuteron Structure Radius."
- Physical Review Letters: "Measurement of the Permanent Electric Dipole Moment of the Neutron."
Nota. - Vereinfacht: Es müsste eine winzige Asymmetrie zwischen positiv und negativ geladenen Teilchen geben, um zu erklären, warum nach dem Urknall die positiven Teilchen - die Materie - über die negativ geladnen Teilchen - die Antimaterie - das Übergewcht erhalten haben und eine Welt überhaupt entstehen konnte.
Es gibt Erklärungen dazu, aber ihre experimentelle Überprüfung hat bislang immer nur so winzige Unter- schiede nachweisen können, wie sie für eine Unterscheidung von Sein und Nichtsein nicht ausreichen würden. Sollte es sich herausstellen, dass eine hinreichende Asymmetrie schlechterdings nicht nachweisbar ist, müsste das ganze Modell verworfen werden; denn es gibt ja unsere Welt, an der Prämisse kommt keine Theorie vorbei.
(Eine naive Frage: Wenn es genau umgekehrt wäre, dass nämlich die Antimaterie am Anfang die Materie überwogen hätte - was müsste ich mir darunter vorstellen? Schon, dass es 'nichts gibt', kann ich mir zwar - bei gehöriger physikalischer Ausbildung - denken; aber vorstellen kann ich mir dabei nichts. Wie wäre es, wenn ich gar eine Antiwelt vorstellen müsste? Mir schwant, selbst bei gründlichster physikalischer Ausbil- dung ließe sich dabei nicht einmal etwas denken.
Mir schwant weiter, das Standardmodell hat einen theoretischen Sinn überhaupt nur unter ebendieser fakti- schen Voraussetzung: dass es die Welt gibt. Anders wäre es zu nichts braucbar.)
JE
Nota - Das obige Bild gehört mir nicht, ich habe es im Internet gefunden. Wenn Sie der Eigentümer sind und ihre Verwendung an dieser Stelle nicht wünschen, bitte ich um Ihre Nachricht auf diesem Blog.
JE
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