Northwestern-Physiker fangen einzelnes Positron in Quanten-Zyklotron ein

Die Präzisionslücke bei Antimaterie-Tests schließen

Dem Standardmodell der Teilchenphysik zufolge hängen die fundamentalen Gesetze von der CPT-Symmetrie ab, einem Invarianzprinzip, das besagt, dass die Physik unverändert bleibt, wenn Ladung, Parität und Zeit gleichzeitig umgekehrt werden. Nach diesem Prinzip muss das Positron, das Antimaterie-Gegenstück des Elektrons, ein intrinsisches magnetisches Moment besitzen, das dem des Elektrons strikt im Betrag gleich und im Vorzeichen entgegengesetzt ist. Während die Experimentalphysik das magnetische Moment des Elektrons mit außerordentlicher Präzision von 1 zu 10 Billionen gemessen hat, hinken Vergleiche mit dem Positron um Größenordnungen hinterher, wie Phys.org berichtet. Diese technische Diskrepanz rührt von der Schwierigkeit her, Positronen in einer ultrakalten, ungestörten Umgebung zu isolieren, und treibt die kontinuierliche wissenschaftliche Erfindungstätigkeit bei Hochpräzisionstests voran.

Das Quanten-Zyklotron mit einem Positron konstruieren

Um diese Herausforderung zu überwinden, entwickelte ein Forschungsteam unter Leitung des Physikers und Erfinders Gerald Gabrielse an der Northwestern University einen Versuchsaufbau, den T. G. Myers und Kollegen in Physical Review Letters beschreiben. Positronen, die mit hoher Geschwindigkeit aus einer radioaktiven Natriumquelle emittiert werden, wurden vor dem Eintritt in die Einschlusszone drastisch abgebremst. Die Forscher paarten jedes eintreffende Positron mit einem Elektron zu einem elektrisch neutralen Atom aus Positronium, das dann direkt in der Falle wieder auseinandergerissen wurde, um das einzelne Antimaterie-Teilchen zu isolieren, so Phys.org. Das isolierte Antiteilchen wurde in einer speziellen Penning-Falle eingefangen, einem Laborapparat, der kombinierte magnetische und elektrische Felder nutzt, um eine kreisförmige Umlaufbewegung aufrechtzuerhalten.

Quantenzustände und zerstörungsfreie Auslese

Die gesamte Falle wurde auf einen Bruchteil eines Grades über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt, wodurch sich das eingefangene Teilchen auf seinem niedrigsten Zyklotron-Orbitalenergieniveau einpendelte. Unter diesen kryogenen Bedingungen zerfällt die Energie des Positrons in diskrete Quantenstufen. Die wissenschaftliche Innovation beruht darauf, Mikrowellenpulse anzulegen, um das Positron zwischen einzelnen Energiezuständen zu manipulieren und Spin-Umklappungen auszulösen, wie Phys.org dokumentiert. Statt das Teilchen während der Beobachtung zu zerstören, lesen die Forscher Spin- und Orbitalübergänge aus, indem sie subtile Änderungen seiner axialen Wippbewegung in der Falle messen.

Worauf bei der Präzisionsmessung von Antimaterie zu achten ist

Da die Einschlussarchitektur ein einzelnes Positron mehrere Monate lang ungestört speichern kann, fungiert der Versuchsaufbau als robuster Labor-Prototyp für die langfristige Antimaterie-Spektroskopie. Das Team prognostiziert, dass kommende Messungen die Auswertung des magnetischen Moments des Positrons um etwa das 30-Fache verbessern und damit die historische Genauigkeitslücke zu den Elektron-Referenzwerten schließen werden, so Phys.org. Sollten künftige Versuche eine Abweichung zwischen den magnetischen Momenten von Elektron und Positron aufdecken, wäre das Ergebnis ein direkter empirischer Beleg für physikalische Mechanismen jenseits des Standardmodells und würde erhellen, warum Materie die Antimaterie im Weltraum dominiert.

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