Internationale Forschungskollaboration mit Mainzer Beteiligung vermisst elektrisches Dipolmoment des Neutrons mit bisher unerreichter Genauigkeit

Wissenschaftler sind dem Rätsel des Materie-Überschusses auf der Spur

28.02.2020

Eine internationale Forschungskollaboration unter Beteiligung des Exzellenzclusters PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) hat am Paul Scherrer Institut (PSI) eine Eigenschaft des Neutrons so genau wie noch nie vermessen. Dabei fanden die Wissenschaftler heraus, dass das Teilchen ein deutlich kleineres elektrisches Dipolmoment hat als bisher bekannt. Das Ergebnis erzielten die Wissenschaftler mithilfe der Quelle für ultrakalte Neutronen des PSI in der Schweiz. Die Studie ist im Fachblatt Physical Review Letters veröffentlicht.

Beim Urknall entstand sowohl die Materie des Universums als auch die sogenannte Antimaterie – so zumindest die gängige Theorie. Da sich die beiden allerdings gegenseitig auslöschen, muss ein Überschuss an Materie entstanden sein, der bis heute übrig geblieben ist. Die Ursache für diesen Materie-Überschuss ist eines der großen Rätsel der Physik und Astronomie. Einen Hinweis auf das dahinterliegende Phänomen hoffen Forschende unter anderem mithilfe von Neutronen zu finden, den elektrisch ungeladenen Bausteinen der Atomkerne. Die Vermutung: Hätte das Neutron ein sogenanntes elektrisches Dipolmoment (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.

50.000 Messungen

Die Suche nach dem nEDM lässt sich alltagssprachlich ausdrücken als die Frage, 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, also ein magnetisches Dipolmoment besitzt. 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 musste die Forschungsgruppe bei ihrer jetzigen Messung am PSI das lokale Magnetfeld mit hohem Aufwand sehr konstant halten und kleinste Störungen aus den Versuchsdaten herausrechnen. Das ist die Spezialität von Prof. Dr. Martin Fertl, Physiker am Exzellenzcluster PRISMA+, und seiner Forschungsgruppe an der JGU: "Um dies zu bewerkstelligen, haben wir extrem empfindliche Magnetometer entwickelt und eingesetzt, die unter anderem auf dem Prinzip der gepulsten Kernspinresonanz basieren."

Auch die Anzahl der beobachteten Neutronen musste entsprechend groß sein, um eine Chance zu haben, ihr nEDM zu messen. Am PSI liefen die Messungen daher über einen Zeitraum von zwei Jahren. Vermessen wurden 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. Um die Neutronen entsprechend auf den rechten Weg zu bringen, musste zwischen der Neutronenquelle und der eigentlichen Speicherkammer eine Neutronenweiche installiert werden. "Diese Weiche wurde in der Kernchemie in Mainz konstruiert und anschließend der Aufbau am PSI eng begleitet", berichtet Prof. Dr. Dieter Ries, ebenfalls vom Mainzer Exzellenzcluster PRISMA+. Ries war bereits im Rahmen seiner Doktorarbeit maßgeblich an der Entwicklung und Charakterisierung der Quelle für ultrakalte Neutronen am PSI beteiligt.

Das neue Resultat hat ein Zusammenschluss von Forschenden an 18 Instituten und Hochschulen in Europa und den USA anhand von Daten ermittelt, die an dieser Quelle für ultrakalte Neutronen des PSI gesammelt worden waren. Die Forschenden hatten die Messdaten in zwei getrennten Teams sehr sorgfältig ausgewertet und dadurch ein genaueres Ergebnis als je zuvor erhalten.

Suche nach "neuer Physik"

"Unser jetziges Ergebnis zeigt, dass der wahre Wert für das nEDM zu klein ist, um ihn mit unserer bislang erreichten Messgenauigkeit zu erfassen – der Wert ist also weiter hin zur Null gerückt", erklärt Prof. Dr. Werner Heil, ebenfalls von Mainzer Seite am nEDM-Projekt beteiligt. "Es bleibt aber spannend, ein endliches nEDM aufzuspüren um zu erfahren, ob sich hierüber neue Physik entdecken lässt."

Daher ist die nächste, noch genauere Messung bereits in Planung: Die neue Messreihe soll ab dem Jahr 2021 starten und die jetzige wiederum in ihrer Genauigkeit übertreffen. "Der Aufbau für die neue Messung basiert auf vielen Erfahrungen, die wir mit dem vorherigen Experiment gemacht haben. Er ist in vielerlei Hinsicht, zum Beispiel bezogen auf die Parameter der Neutronenquelle und auf die Minimierung systematischer Messfehler, optimiert und in diesem Sinne wegweisend", so Prof. Dr. Dieter Ries.