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Wägetechnologie Ein Elektron wiegt weniger als 10-30 Kilogramm

| Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Mit handelsüblichen Analysenwaagen – und seien sie noch so genau – kann selbstverständlich die Masse eines Elektrons nicht bestimmt werden. Lesen Sie, wie es Physikern des Max-Planck-Instituts für Kernphysik trotzdem gelungen ist, ein Elektron in bisher nie zuvor erreichter Genauigkeit zu „wägen“.

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In einer Penningfalle (links) zwingt ein Magnetfeld (schwarzer Pfeil) einen Kohlenstoff-12-Kern mit einen einzigen Elektron läuft auf einem in sich verschraubten Rundkurs (rechts). Vereinfacht kann man sich diesen als Kreisbahn (grün) vorstellen. Aus der Umlauffrequenz lässt sich die präzise Masse des Kohlenstoff-12-Kerns mit einem Elektron ermitteln. Aus der Masse des fünffach geladenen Kohlenstoffions und der Kreiselbewegung des Elektronenspins (schwarze Linie, rechts) ergibt ein quantenmechanischer Zusammenhang dann die Elektronenmasse.
In einer Penningfalle (links) zwingt ein Magnetfeld (schwarzer Pfeil) einen Kohlenstoff-12-Kern mit einen einzigen Elektron läuft auf einem in sich verschraubten Rundkurs (rechts). Vereinfacht kann man sich diesen als Kreisbahn (grün) vorstellen. Aus der Umlauffrequenz lässt sich die präzise Masse des Kohlenstoff-12-Kerns mit einem Elektron ermitteln. Aus der Masse des fünffach geladenen Kohlenstoffions und der Kreiselbewegung des Elektronenspins (schwarze Linie, rechts) ergibt ein quantenmechanischer Zusammenhang dann die Elektronenmasse.
(Bild: Sven Sturm/MPI für Kernphysik)

Heidelberg –Elektronen sind der Quantenkitt unserer Welt. Ohne Elektronen gäbe es keine Chemie, und Licht könnte nicht mit Materie wechselwirken. Wären Elektronen nur etwas schwerer oder leichter als sie es sind, sähe die Welt radikal anders aus. Wie aber wiegt man ein Teilchen, das so winzig ist, dass es bis dato als punktförmig gilt? Dieses Kunststück gelang nun einer Kooperation unter Beteiligung von Physikern des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg. Sie „wog“ die Masse des Elektrons 13 Mal präziser als bisher bekannt. Da die Elektronenmasse in fundamentalen Naturkonstanten steckt, ist das für die Grundlagenphysik wichtig.

„Waage“ mit extrem hoher Empfindlichkeit

„Normalerweise muss man in der Präzisionsphysik zehn, zwanzig Jahre forschen, um einen fundamentalen Wert um eine Größenordnung zu verbessern“, sagt Klaus Blaum. Mit Freude berichtet der Direktor am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg von der „enormen Reaktion“, die das jüngste Resultat auf wissenschaftlichen Tagungen hervorruft. In nur wenigen Jahren hat es eine Forschungskooperation um die Heidelberger geschafft, den Wert der Masse eines Elektrons um einen Faktor 13 genauer zu bestimmen. Die extrem große Empfindlichkeit der dazu verwendeten „Waage“ veranschaulicht der Projektleiter Sven Sturm so: „Umgerechnet auf einen Airbus A-380 könnten wir allein durch Wiegen feststellen, ob eine Mücke als blinder Passagier an Bord ist.“

Gewicht auf elf Stellen hinter dem Komma genau

Dass Physiker die Masse des Elektrons nun auf elf Stellen hinter dem Komma genau kennen, ist wichtig, weil Elektronen praktisch überall mitmischen. Selbst zum Lesen dieses Texts müssen in den Augen Elektronen Licht in Nervenimpulse umwandeln. Diese ultrawinzigen Teilchen, die nach heutigem Wissen keinerlei Ausdehnung besitzen, stellen also eine ungeheure Macht in der Natur dar. Mit ihrer Masse hängt unter anderem der Wert fundamentaler Naturkonstanten zusammen. Dazu zählt beispielsweise die sogenannte Feinstrukturkonstante: Diese Konstante bestimmt die Form und die Eigenschaften von Atomen und Molekülen. „Sie beschreibt im Grunde alles, was wir sehen“, sagt Blaum, „denn sie spielt in der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie eine zentrale Rolle.“ Hätte die Natur den Elektronen eine nur etwas andere Masse verpasst, würden die Atome ganz anders aussehen. Eine solche Welt wäre wohl sehr fremdartig.

Das Elektron wird mit einem Kohlenstoffkern gewogen

Die Masse des Elektrons fließt zudem als eine zentrale Größe in das sogenannte Standardmodell der Physik ein. Dieses Modell beschreibt drei der vier heute bekannten Grundkräfte der Physik. Obwohl es beeindruckend gut funktioniert, ist heute trotzdem klar, dass seine Gültigkeit begrenzt ist. Wo diese Grenzen des Standardmodells liegen, ist allerdings offen. Daher kann eine präzise Kenntnis der Elektronenmasse bei der Suche nach bisher unbekannten physikalischen Zusammenhängen entscheidend mithelfen.

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