Cern: Messungen bestätigen Symmetrie von Materie und Antimaterie

Neue Forschungsergebnisse des Cern bestätigen das Standardmodell der Physik. Die Existenz des Universums bleibt damit weiter rätselhaft.

Artikel veröffentlicht am 7. Januar 2022, 17:35 Uhr, Werner Pluta

Instrument Base am Cern (Bild: Stefan Ulmer/Cern/CC-BY-SA 4.0)

Die gute Nachricht ist: Das Standardmodell hält. Die schlechte: Wir wissen immer noch nicht, warum es das Universum gibt. Das Team des Baryon-Antibaryon-Symmetrie-Experiments (Base) hat bei der bis dato genauesten Messung keine Unterschiede zwischen Protonen und Antiprotonen gefunden. Base ist ein Experiment zur Erforschung von Antimaterie am europäischen Kernforschungszentrum Cern.

Antiteilchen haben die entgegengesetzte elektrische Ladung der Teilchen, aus denen Materie besteht. Theoretisch sollten beide Teilchensorten die gleichen Eigenschaften haben und beim Urknall sollten beide in gleicher Menge entstanden sein. Treffen Materie und Antimaterie jedoch aufeinander, löschen sie sich gegenseitig aus. Es gibt also offensichtlich eine Asymmetrie. Denn beide haben sich nicht ausgelöscht, sondern das Universum ist entstanden. Worin die Asymmetrie besteht, ist jedoch bisher ungeklärt.

Ein möglicher Unterschied hätte in der Masse liegen können. Das schließt das Base-Team um Stefan Ulmer inzwischen aber weitgehend aus. Zwischen Dezember 2017 und Mai 2019 hat es das Verhältnis von elektrischer Ladung zu Masse von Protonen und Antiprotonen mit Rekordpräzision vermessen. Die Auswertung dauerte nach eigenen Angaben anderthalb Jahre. Das Ergebnis wurde jetzt veröffentlicht.

Die Messungen waren viel genauer als frühere

Dabei hat sich gezeigt, dass es keinen Unterschied in der Masse der beiden gibt. Das Ergebnis der Messungen stimme mit der fundamentalen Invarianz bei Umkehr von Ladung, Parität und Zeit (CPT) überein, schreiben die Forscher in der Fachzeitschrift Nature. Die Messungen hätten eine Genauigkeit von 16 Teilen in einer Billion. Die Messungen seien um den Faktor vier genauer als vorhergehende.

Das heißt, die Masse von Protonen und Antiprotonen ist identisch - bis auf elf Stellen. "Wir haben mit hoher Präzision ausgeschlossen, dass es einen Masseunterschied zwischen Protonen und Antiprotonen gibt", sagte Ulmer dem Nachrichtenmagazin Der Spiegel (Paywall).

Für ihre Experimente erzeugten die Forscher zunächst Antiprotonen und fingen diese in einem elektromagnetischen Behälter, der sogenannten Penningfalle, ein. In dieser Falle schwingt ein Teilchen mit einer charakteristischen Frequenz, die durch seine Masse definiert ist. Im Laufe von anderthalb Jahren machten die Forscher über 24.000 Frequenzmessungen.

Welchen Einfluss hat die Schwerkraft?

Die Dauer der Messreihe ermöglichte einen zweiten Vergleich: die Auswirkung der Gravitation. Laut dem schwachen Äquivalenzprinzip werden alle Teilchen von der Gravitation gleich beschleunigt - das gilt für Materie und Antimaterie. Während des Messzeitraums umrundete die Erde die Sonne mehr als einmal. Auf der elliptischen Bahn ändert sich der Einfluss der Anziehungskraft der Sonne.

Die Frage war, wie Protonen und Antiprotonen auf die Schwankungen reagieren würden. Aber auch hier ergaben sich keine Unterschiede. Die Forscher konnten keine anomale Wechselwirkung zwischen Antimaterie und Schwerkraft feststellen.

Das Ergebnisse bestätigen also das Standardmodell, nach der Materie und Antimaterie symmetrisch sind. Das erklärt aber nicht unsere Existenz. Die sei "eines der großen Rätsel der fundamentalen Physik, auf das wir noch keine Antwort haben", sagte Ulmer. "Wenn man die Urknalltheorie und das Standardmodell der Teilchenphysik zusammenfasst, dann sollten am Beginn des Universums Materie und Antimaterie in gleicher Menge entstanden sein. Und wenn sich ein Teilchen und sein Antiteilchen treffen, vernichten sie sich gegenseitig. Aber irgendwie ist vor 13,8 Milliarden Jahren trotzdem Materie übrig geblieben, sonst würden wir nicht existieren."

Laut Ulmer besteht die Möglichkeit, dass Protonen und Antiprotonen jenseits der jetzt gemessenen Werte noch Unterschiede aufweisen. Eine andere Möglichkeit könnten Unterschiede bei den magnetischen Momenten sein. Daran forscht das Team auch schon. "Aber auch hier", sagt Ulmer, " sehen wir bisher keine Unterschiede zwischen Protonen und Antiprotonen."