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Physik an der Messbarkeitsgrenze Verbergen Neutronen das Entstehungsgeheimnis der Materie?

Von Dr. Laura Elena Hennemann

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Paul Scherrer Institut Benoit Stef
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Die Entstehung des Universums beruht wahrscheinlich auf einem Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie beim Urknall. Doch wie kam es dazu? Forscher hoffen, im elektrischen Dipolmoment des Neutrons einen Erklärungsansatz zu finden. Dies ist aber – wenn überhaupt vorhanden – so klein, dass es sich bisher jeder Messung entzogen hat. Nun haben Physiker den Wert des Dipolmoments weiter eingegrenzt.

Die beiden Physiker Dr. Philipp Schmidt-Wellenburg (links) und Dr. Georg Bison vor dem Experiment zur Vermessung einer grundlegenden Eigenschaft des Neutrons: dem elektrischen Dipolmoment.(Bild: Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic)
Die beiden Physiker Dr. Philipp Schmidt-Wellenburg (links) und Dr. Georg Bison vor dem Experiment zur Vermessung einer grundlegenden Eigenschaft des Neutrons: dem elektrischen Dipolmoment.
(Bild: Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic)

Villigen/Schweiz – Beim Urknall entstand sowohl die Materie des Universums als auch ihr Gegenstück, die Antimaterie – so zumindest die gängige Theorie. Da sich die beiden allerdings gegenseitig auslöschen, muss ein Überschuss an Materie entstanden sein, der bis heute übrig blieb. Die Ursache für diesen Materie-Überschuss ist eines der großen Rätsel der Physik und Astronomie. Einen Hinweis auf das dahinterliegende Phänomen hoffen Forscher mithilfe von Neutronen zu finden. Die Vermutung: Hätte das Neutron ein so genanntes elektrisches Dipolmoment (kurz: 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.

Ein sehr schwacher elektrischer Kompass

Die Suche nach dem nEDM lässt sich alltagssprachlich ausdrücken als die Frage, ob das Neutron ein elektrischer Kompass ist oder nicht. Bisher gibt es auf diese Frage noch keine Antwort. Wohl aber weiß man schon lange, dass das Neutron ein magnetischer Kompass ist und auf ein Magnetfeld reagiert – ein magnetisches Dipolmoment hat es also.

Sollte das Neutron zusätzlich auch ein elektrisches Dipolmoment haben, wäre dessen Wert sehr viel geringer – und daher entsprechend schwieriger zu messen. Das haben bereits frühere Messungen anderer Forschungsgruppen ergeben. Daher mussten die Forscher am PSI bei ihrer jetzigen Messung das lokale Magnetfeld mit hohem Aufwand sehr konstant halten. Selbst jeder Lastwagen, der auf der Landstraße neben dem Institut vorbeifuhr, störte das Magnetfeld in einer für dieses Experiment relevanten Größenordnung und musste daher aus den Versuchsdaten herausgerechnet werden.

50.000 Messungen in zwei Jahren

Auch die Anzahl der beobachteten Neutronen musste entsprechend groß sein, um eine Chance zu haben, ihr Dipolmoment zu messen. Die Messungen liefen daher über einen Zeitraum von zwei Jahren. Vermessen wurden so genannte 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 analysierten die Forscher 50.000 solcher Bündel.

„Das war selbst für das PSI mit seinen Großforschungsanlagen eine ziemlich umfangreiche Studie“, sagt Philipp Schmidt-Wellenburg, Forscher am nEDM-Projekt vonseiten des PSI. „Aber genau das ist heutzutage nötig, wenn wir nach Physik jenseits des Standardmodells suchen.“

Das Ergebnis: Noch immer nicht messbar

Das neue Resultat hat ein Zusammenschluss von Forschern an 18 Instituten und Hochschulen in Europa und den USA ermittelt. Die Daten hatten sie an der Quelle für ultrakalte Neutronen des PSI gesammelt. Doch was kam bei den Messungen nun heraus?

„Auch unser jetziges Ergebnis hat einen Wert für nEDM ergeben, der zu klein ist, um ihn mit unseren bisherigen Instrumenten zu messen – der Wert ist zu nahe an Null“, sagt PSI-Forscher Schmidt-Wellenburg. Man kann das elektrische Dipolmoment des Neutrons also noch nicht beziffern, hat aber seine Obergrenze weiter eingeschränkt. „Es ist damit also unwahrscheinlicher geworden, dass das Neutron hilft, den Materie-Überschuss zu erklären. Aber ganz ausgeschlossen ist es weiterhin nicht. Und in jedem Fall ist die Wissenschaft am genauen Wert des nEDM interessiert, um zu erfahren, ob sich hierüber neue Physik entdecken lässt.“

Die Suche geht weiter

Die nächste, noch genauere Messung ist bereits in Planung. „Als wir im Jahr 2010 die jetzige Quelle für ultrakalte Neutronen hier am PSI in Betrieb genommen haben, wussten wir bereits, dass das restliche Experiment ihr noch nicht gerecht wird. Daher bauen wir derzeit ein entsprechend größeres Experiment auf“, sagt Dr. Georg Bison, der wie Schmidt-Wellenburg Forscher im Labor für Teilchenphysik am PSI ist. Ab 2021 soll daran die nächste Messreihe des nEDM starten und die jetzige wiederum in ihrer Genauigkeit übertreffen.

Das nEDM-Forschungsprojekt ist Teil der Suche nach so genannter „neuer Physik“, die über das so genannte Standard-Modell hinausgeht. Nach dieser wird auch an noch größeren Anlagen wie dem Large Hadron Collider LHC des CERN gesucht. „Die Forschung am CERN geht in die Breite und sucht allgemein nach neuen Teilchen und deren Eigenschaften“, erläutert Schmidt-Wellenburg. „Wir dagegen gehen in die Tiefe, denn wir schauen lediglich eine Eigenschaft eines Teilchens an, des Neutrons. Dafür aber erreichen wir in diesem Detail eine Genauigkeit, die der LHC vielleicht erst in 100 Jahren erlangen würde.“

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Originalpublikation: C. Abel et al.: Measurement of the permanent electric dipole moment of the neutron, Phys. Rev. Lett. 124, 081803 – Published 28 February 2020; DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.081803

* Dr. L. E. Hennemann, Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen/Schweiz

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