Elektrisches Dipolmoment von Neutronen Ein Bunker gegen Magnetfelder

In der Schweiz gibt es einen Ort, an dem kein Kompass funktioniert. Denn Forscher haben am Paul-Scherrer-Institut eine Kammer gebaut, die extrem gut gegen jeden magnetischen Einfluss von außen abgeschirmt ist. Hier wollen sie herausfinden, ob Neutronen – entgegen der bisherigen Theorien – nicht doch ein elektrisches Dipolmoment haben. Dann ließen sich auch weitere Geheimnisse wie der Verbleib der Antimaterie im Universum besser erklären.

Villingen/Schweiz – Inmitten einer Versuchshalle am Paul-Scherrer-Institut (PSI) in der Schweiz steht eine unscheinbare Kammer. Hinter den 30 Zentimeter dicken Außenwänden folgt mit etwas Abstand eine weitere Wand, die den Innenraum vollständig umschließt. Hinter den Türen dieser Tresor-artig anmutenden Konstruktion verbirgt sich jedoch kein Gold, sondern… nichts. Genauer gesagt ist im Inneren dieser Kammer weniger als außerhalb: Denn die Wände aus mehreren Lagen einer Nickel-Eisen-Legierung schirmen Magnetfelder äußerst effektiv ab.

„Ein Magnetfeld fließt lieber durch dieses hochmagnetisierbare Metall als durch Luft, deshalb eignet es sich so gut für eine magnetische Abschirmung“, erklärt Georg Bison, Physiker und Spezialist für Magnetfeldmessungen am PSI. Zusätzlich dämpft eine Lage aus Aluminium zeitlich veränderliche Magnetfelder. Der Raum wurde konstruiert, um dort Experimente mit Neutronen zu machen. Jedes äußere Magnetfeld stört diese Präzisionsmessungen, deshalb die aufwändige Konstruktion.

Der unmagnetischste Raum der Welt

Magnetfelder gibt es überall auf der Erde; Nicht nur das Erdmagnetfeld ist ständig präsent. „Fast alles in unserer Umgebung erzeugt auf irgendeinem Niveau Magnetfelder, sei es die Uhr am Handgelenk, ein Schraubenzieher oder der Hallenkran im PSI-Gebäude nebenan“, sagt Klaus Kirch, Leiter des Labors für Teilchenphysik am PSI und Professor an der ETH Zürich. Selbst ein Lastwagen, der in zwei Kilometern Entfernung vorbeifährt, verursache ein messbares magnetisches Signal, erklärt der Physiker „Der magnetisch abgeschirmte Raum ist unsere große Verteidigung gegen die äußeren Einflüsse.“

Den Forschern zufolge haben sie den weltweit besten Abschirmraum dieser Größe aufgebaut. In dieser Kammer sei das statische Magnetfeld von außen um einen Faktor hunderttausend verringert, und die Abschirmung steige bereits bei sehr niedrigen Frequenzen auf über das Milliardenfache an. „Es gibt zwar Anordnungen mit einem noch höheren Abschirmfaktor, diese sind aber deutlich kleiner – zu klein, um unser Experiment durchzuführen“, erklärt ETH-Professor Kirch. „Unter den begehbaren Räumen haben wir mit Abstand das schwächste Magnetfeld, was irgendwo auf der Welt realisiert wurde.“

Im Inneren der Kammer messen die Forscher ein Restmagnetfeld von weniger als 150 Pikotesla (10^-12 Tesla). Zum Vergleich: Das Erdmagnetfeld ist mit 30 bis 60 Mikrotesla (10^-6 Tesla) um mehrere hunderttausendmal stärker.

Physik an der Messbarkeitsgrenze

Verbergen Neutronen das Entstehungsgeheimnis der Materie?

Zeigt das Neutron den Verbleib der Antimaterie?

Was haben die Forscher nun in dem Magnetfeld-freien Raum vor? Sie wollen in der Kammer ein Experiment installieren, das nach einer bisher unentdeckten, physikalischen Größe suchen soll: dem elektrischen Dipolmoment des Neutrons. „Das Neutron ist zwar nach außen ein elektrisch neutrales Teilchen, doch im Inneren könnte es eine Ladungstrennung geben“, erklärt Bernhard Lauss, Projektleiter des Experiments. Zerrt man eine positive und eine negative Ladung auseinander und gibt diesen Dipol in ein elektrisches Feld, so richtet er sich aus wie eine Kompassnadel im Magnetfeld der Erde. Das Experiment soll klären, „ob sich das Neutron in einem elektrischen Feld ein wenig dreht, also ob es ein solches Dipolmoment gibt oder nicht“, führt der Physiker aus.

Die Forscher erhoffen sich, mit ihren Versuchen das Standardmodell der Teilchenphysik anzupassen. Denn dies kann wichtige Beobachtungen nicht erklären. „Wir glauben zu wissen, dass beim Urknall, bei dem das Universum entstanden ist, gleich viel Materie und Antimaterie produziert wurde“, sagt ETH-Professor Kirch. „Doch heute sehen wir nichts mehr von dieser Antimaterie.“ Warum ist die Antimaterie verschwunden, aber ein Teil der Materie, aus der auch wir selbst bestehen, übriggeblieben? Verschiedene Theorien liefern Antworten auf diese grundlegende Frage, sagen aber gleichzeitig voraus, dass das Neutron ein elektrisches Dipolmoment einer bestimmten Größe haben muss. „Wenn wir in unserem Experiment ein solches Dipolmoment messen, erfahren wir, ob eine dieser Theorievorhersagen stimmt oder nicht“, erklärt Projektleiter Lauss.

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Zehnfach genauere Messung möglich

Für ihr Experiment brauchen die Forscher so genannte ultrakalte Neutronen, die sich nur langsam bewegen und sich deshalb während einiger Minuten einschließen und untersuchen lassen. „Am PSI haben wir die international stärkste Quelle gebaut, die möglichst viele solcher ultrakalten Neutronen für das Experiment erzeugt“, sagt Lauss.

Um ein elektrisches Dipolmoment nachzuweisen, werden die Forscher im magnetisch abgeschirmten Raum künstlich ein genau definiertes Magnetfeld erzeugen und die Reaktion der Neutronen messen. Die Neutronen besitzen ein magnetisches Dipolmoment, das sich im Magnetfeld mit einer bestimmten Frequenz dreht. Legt man nun ein zusätzliches elektrisches Feld an, wäre diese Drehung schneller oder langsamer, falls sie ein elektrisches Dipolmoment hätten.

Bisher konnte niemand einen solchen Effekt nachweisen, sämtliche Experimente lieferten ein Nullresultat. Die genaueste Messung gelang den PSI-Forschern mit einer internationalen Forschungskollaboration in einem Vorgängerexperiment. Das neue, geplante Experiment in der eigens dafür gebauten Abschirm-Kammer soll nun ein zehnmal genaueres Resultat liefern. Vielleicht ist es diesmal genug, um bisher verborgenen Eigenschaften des Neutrons auf die Schliche zu kommen.

Weiterführende Literatur: Abel C, Afach S, Ayres NJ, Baker CA, Ban G, Bison G, et al.: Measurement of the permanent electric dipole moment of the neutron, Physical Review Letters. 2020; 124(8): 081803 (7 pp.); DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.081803

* B. Vonarburg, Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen/Schweiz

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