Der gebrochene Spiegel: Erstmals Messung der Paritätsverletzung in Molekülen möglich?

Wissenschaftler des Exzellenzclusters PRISMA+ und des Helmholtz-Instituts Mainz zeigen vielversprechenden Weg auf, um erstmals Paritätsverletzung in Molekülen nachzuweisen

03.06.2020

Seit Langem versuchen Wissenschaftler, eine bestimmte Symmetrie-Eigenschaft der schwachen Wechselwirkung, die sogenannte Paritätsverletzung, in Molekülen experimentell nachzuweisen. Bisher ist dies nicht gelungen. Eine neue interdisziplinäre Arbeit unter Federführung einer Forschungsgruppe am Exzellenzcluster PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und am Helmholtz-Institut Mainz (HIM) zeigt nun einen realistischen Weg zum erstmaligen Nachweis dieses Phänomens auf. Der Ansatz, der Aspekte der Kern-, Elementarteilchen-, Atom- und Molekülphysik sowie der kernmagnetischen Resonanz (NMR) einbezieht, ist in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Physical Review Research veröffentlicht.

Symmetrien sind allgegenwärtig – im Weltall genau wie in der Welt der Moleküle, Atome und Elementarteilchen. Auch die vier fundamentalen Kräfte gehorchen bestimmten, wenn auch mitunter recht abstrakten Symmetrien. Auf dem Weg vom Urknall bis heute wurden bestehende Symmetrien immer wieder gebrochen. Symmetrie und Symmetriebrechung spiegeln sich in den Prozessen und Zuständen, die wir beobachten können, mehr oder weniger offensichtlich wider.

Eine dieser Symmetrien ist die Spiegelsymmetrie – wird sie gebrochen, sprechen die Forscher von einer Paritätsverletzung. Unter den vier Grundkräften ist nach heutigem Wissen die schwache Wechselwirkung die einzige, die nicht spiegelsymmetrisch wirkt: Nur bei Prozessen, die dieser Wechselwirkung unterliegen, treten Paritätsverletzungen auf. "Da die schwache Wechselwirkung in unserer Alltagserfahrung so gut wie keine Rolle spielt – hier dominieren die Gravitation und die elektromagnetische Kraft – widerspricht das Phänomen der Paritätsverletzung unserer normalen Vorstellung und ist daher nur schwer begreifbar", so Dr. John Blanchard, Erstautor der aktuellen Studie. "Die Paritätsverletzung der schwachen Wechselwirkung wurde daher auch erst in den 1950er-Jahren theoretisch vorhergesagt und kurz darauf bei bestimmten Kern- und Elementarteilchenzerfällen entdeckt. In Molekülen wurden paritätsverletzende Prozesse bisher noch nie nachgewiesen, gleichwohl theoretische Berechnungen sie auch dort vorhersagen. Der Nachweis solch subtiler Effekte ist sozusagen ein heiliger Gral der physikalischen Präzisionsmessungen."

Moleküle sind in vielerlei Hinsicht interessant, um Auswirkungen der Paritätsverletzung experimentell zu beobachten und viele Versuche hierzu wurden unternommen. Ein Beispiel ist die Wechselwirkung der Spins verschiedener Atomkerne in einem Molekül. Diese wiederum können prinzipiell mit Methoden der Kernspinresonanz (NMR) detektiert und analysiert werden. Während die Wissenschaftler in einer früheren Arbeit bereits einen Erfolg versprechenden Ansatz für chirale Moleküle entwickelt haben, nehmen sie in ihrer aktuellen Veröffentlichung einfache Moleküle in den Blick, die aus zwei Atomen bestehen. Dabei identifizieren sie zunächst eine spezielle NMR-Messgröße (eine bestimmte Spin-Spin-Kopplung), anhand derer sich die Paritätsverletzung zeigt, führen für diese komplexe theoretische Analysen durch und berechnen so den zu erwartenden Effekt innerhalb des Moleküls. Diese Berechnungen erfolgten in intensiver Zusammenarbeit mit dem Mitautor der Studie Prof. Dr. Mikhail G. Kozlov vom Nuclear Physics Institute in Sankt Petersburg, mit dem die Mainzer Gruppe schon seit vielen Jahren sehr erfolgreich zusammenarbeitet.

Darauf aufbauend schlagen die Wissenschaftler ein spezielles Experiment vor, dass empfindlich genug sein sollte, um die berechneten Signale zu detektieren: "Die sogenannte ZULF (zero to ultra low field) NMR-Methode ist eine exotische Technik, die wir auch schon bei der Suche nach dunkler Materie erfolgreich eingesetzt haben", erläutert Prof. Dr. Dmitry Bukder, ebenfalls Autor der Studie. "Sie bietet ein System, bei dem Kernspins stärker miteinander interagieren als mit einem externen Magnetfeld. Auf diese Weise ermöglicht sie die direkte Messung antisymmetrischer Spin-Spin-Kopplungen, die in konventionellen Hochfeld-NMR-Experimenten abgeschnitten werden."

"Unsere Ergebnisse zeigen einen eleganten Weg hin zu einer quantitativen Untersuchung der schwachen Wechselwirkung in Molekülen und den Atomkernen auf", resümiert Blanchard. "Um die Paritätsverletzung in Molekülen experimentell nachweisen zu können, sind die Resultate unserer Machbarkeitsstudie sehr vielversprechend."