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Forscherinnen und Forschern des Baryon-Antibaryon-Symmetry-Experiments (kurz: BASE) am CERN ist ein beachtlicher Erfolg gelungen: Sie haben das magnetische Moment des Antiprotons mit einer bisher unerreichten Genauigkeit ermittelt. Die Messung ist präziser als die beste Messung für das magnetische Moment des Protons.
In unserer Alltagswelt sind wir von Materie umgeben. Von Antimaterie haben wir dagegen keine Vorstellung, weil uns keine sinnlich wahrnehmbare Antimaterie umgibt. Das ist vermutlich der Grund, dass es für den Nicht-Physiker stets etwas Geheimnisvolles hat, wenn von Antimaterie die Rede ist. Für Physiker hingegen ist Antimaterie zu einem 'normalen' Phänomen geworden. 1928 hatte der britische Physiker Paul Dirac mit Hilfe der Quantenmechanik und der Speziellen Relativitätstheorie eine relativistische Beschreibung des Elektrons erarbeitet, die heute als Dirac-Gleichung bekannt ist. Diese Gleichung liefert zwei Lösungen, eine für negativ geladene Elektronen, und eine weitere für positiv geladene Elektronen, die 'Antielektronen' oder auch 'Positronen' genannt werden. Der US-Amerikaner Carl David Anderson hatte 1932 Spuren positiv geladener Elektronen in einer Nebelkammer nachgewiesen, mit der er kosmische Strahlung untersuchte.
Begriff schon im 19. Jahrhundert gebraucht
Schon im späten 19. Jahrhundert wurde die Existenz von „Antimaterie“ bzw. von „negativer Materie“ – noch vor der Entwicklung der Quantenmechanik – postuliert. Diese alten Ideen sind jedoch heute allesamt verworfen. Im Standardmodell der Teilchenphysik gibt es zu jedem (Materie-) Teilchen ein zugehöriges Antiteilchen, mit den exakt gleichen Eigenschaften, jedoch umgekehrter Ladung. Neutrale Teilchen wie das Photon, das Higgs und das Z0 Boson sind identisch zu ihrem Antiteilchen. Neutrinos unterscheiden sich von Antineutrinos durch ihren Eigendrehimpuls (Spin). Neutrinos sind links-drehend, während Antineutrinos rechts-drehend sind.
Im Universum konnten keine grossen Massen von Antimaterie nachgewiesen werden. Es wird davon ausgegangen, dass die ganze Antimaterie kurz nach dem Urknall beim Zusammentreffen mit Materie vernichtet wurde. Einzig ein kleines Ungleichgewicht in der Materie-Antimaterie-Symmetrie liess in dieser gegenseitigen Vernichtung von Materie mit Antimaterie einen winzig kleinen Anteil Materie übrig; aus diesem besteht das sichtbare Universum mit seinen Galaxien, Sternen und Planeten. Antimaterie kann in Teilchenkollisionen erzeugt werden. Positronen, also Antielektronen, entstehen beim Betaplus-Zerfall radioaktiver Atomkerne.
Antiteilchen genauer bestimmt als Materieteilchen
So flüchtig Antimaterie sich dem menschlichen Beobachter auch präsentiert, so wichtig ist Antimaterie für die moderne Physik. Das veranschaulicht eine aktuelle Meldung aus dem Europäischen Labor für Teilchenphysik () in Genf: Einem Wissenschaftlerteam des ist es gelungen, eine Eigenschaft des Antiprotons mit bisher unerreichter Genauigkeit zu bestimmen. Gemäss neusten Messungen beträgt der magnetische Moment des Antiprotons 2.792 847 344 1(42) μN (dabei ist μN=eℏ/2mp=3.15x10-8eV/T das Kernmagneton). Über die Messungen berichten die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in einem Aufsatz, der am 19. Oktober 2017 in der Fachzeitschrift 'Nature' veröffentlicht wurde.
Protonen verfügen über ein magnetisches Moment, das auch als 'magnetisches Dipolmoment' bezeichnet wird. Das magnetische Moment ist eine Messgrösse für die Stärke eines magnetischen Dipols, der elementaren Einheit eines Magneten. Das magnetische Moment bringt zum Ausdruck, wie stark das zugehörige Teilchen auf das umgebende Magnetfeld reagiert. Das neue Messergebnis des BASE-Experiments ist nicht nur bemerkenswert wegen seiner hohen Präzision. Bemerkenswert ist insbeondere auch, dass mit dem oben genannten Wert das magnetische Moment des Antiprotons nun genauer bestimmt ist als jenes des Protons. In diesem Fall ist es vermutlich erstmals überhaupt gelungen, die Eigenschaft von Antimaterie präziser zu bestimmen als jene eines zugehörigen Materie-Teilchens, schreiben die Forscher des BASE-Experiments in einer Medienmitteilung.
Identische Eigenschaften von Materie und Antimaterie
„Die Messung am BASE-Experiment ist ein bemerkenswertes Resultat“, sagt der Teilchenphysiker PD Dr. Hans Peter Beck (Universität Bern/CERN). „Das magnetische Moment des Antiprotons konnte genauer bestimmt werden als jenes des Protons. Das heisst allerdings nicht, dass die beiden Werte voneinander abweichen. Vielmehr stimmen die bisherigen Messungen bei Proton und Antiproton unter Berücksichtigung der Messgenauigkeit überein“, sagt Beck. Diese Übereinstimmung entspricht dem, was aufgrund des geltenden Standardmodells der Teilchenphysik zu erwarten war. Diese Übereinstimmung wird auch durch frühere Messungen bestätigt, die die Masse von Proton und Antiproton ermittelt haben.
Die BASE-Collaboration ist ein Zusammenschluss von Forschern und Forscherinnen aus Deutschland und Japan. Mit der jetzt publizierten Präzisionsmessung hat die BASE-Collaboration einen Genauigkeitsrekord um das 350fache überboten, den sie selber im Januar dieses Jahres aufgestellt hatte. Für die Messung wurde eine neue Methode verwendet, bei der gleichzeitig zwei Antiprotonen getrennt in zwei sogenannten Penning-Fallen dingfest gemacht wurden.
Autor: Benedikt Vogel