Forschungsbericht 2016 - Max-Planck-Institut für Kernphysik

Symmetrie von Teilchen und Antiteilchen mit Rekordpräzision bestätigt

Autoren
Blaum, Klaus; Ulmer, Stefan (RIKEN)
Abteilungen
Abteilung Gespeicherte und gekühlte Ionen (Klaus Blaum)
Zusammenfassung
Durch den Vergleich der Umlauffrequenzen von Antiprotonen und negativ geladenen Wasserstoffionen in einem starken Magnetfeld konnte der bisher präziseste Massevergleich und damit der genaueste direkte Test der Materie/Antimaterie-Symmetrie mit Baryonen, also Teilchen, die aus je drei Quarks bestehen, durchgeführt werden. Das Resultat: Die Ladungs-zu-Massen-Verhältnisse von Protonen und Antiprotonen sind bis auf die elfte Nachkommastelle identisch.

Einleitung

Erhaltungssätze bilden die Grundpfeiler des Standardmodells der Teilchenphysik. Mit jeder fundamentalen Symmetrie ist eine Erhaltungsgröße verknüpft. So resultiert beispielsweise aus der Homogenität der Zeit die Energieerhaltung, aus der Translationsinvarianz die Impulserhaltung und aus der Isotropie des Raumes die Drehimpulserhaltung. Die fundamentalste Symmetrie, welche die relativistischen Quantenfeldtheorien des Standardmodells kennen, ist die sogenannte CPT-Symmetrie [1]. Dabei steht C für den Austausch eines Teilchens mit seinem Antiteilchen, P für eine Spiegelung des Raumes und T für Zeitumkehr. Während sowohl die Symmetrien C, P und T im Einzelnen als auch die kombinierte CP-Symmetrie bei bestimmten Wechselwirkungen gebrochen sind, wurde bisher keine Verletzung der kombinierten CPT-Symmetrie entdeckt. Sie ist damit in gewissem Sinne die fundamentalste Symmetrie oder Invarianz, die wir im – bisher lückenhaften – Standardmodell kennen. Trotz ihrer enormen Bedeutung gibt es bis dato aber nur wenige Messungen, die die CPT-Symmetrie empfindlich getestet haben (siehe Abb. 1).

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Abb. 1: Übersicht über die bisher durchgeführten (schwarz) und die geplanten (weiß, grau) Tests der CPT-Symmetrie. Beim Vergleich der Zerfallskanäle neutraler Kaonen konnte die Massendifferenz der Teilchen mit einer relativen Präzision von 10−18 bestimmt werden. Elektron/Positron g-Faktoren (magnetische Momente) wurden mit 10−12 relativer Präzision verglichen. Unsere Experimente befassen sich mit Protonen und Antiprotonen. Spektroskopische Messungen zum Vergleich von Wasserstoff und Antiwasserstoff sind von anderen Experimentgruppen in naher Zukunft geplant.
Abb. 1: Übersicht über die bisher durchgeführten (schwarz) und die geplanten (weiß, grau) Tests der CPT-Symmetrie. Beim Vergleich der Zerfallskanäle neutraler Kaonen konnte die Massendifferenz der Teilchen mit einer relativen Präzision von 10−18 bestimmt werden. Elektron/Positron g-Faktoren (magnetische Momente) wurden mit 10−12 relativer Präzision verglichen. Unsere Experimente befassen sich mit Protonen und Antiprotonen. Spektroskopische Messungen zum Vergleich von Wasserstoff und Antiwasserstoff sind von anderen Experimentgruppen in naher Zukunft geplant.

Eine Konsequenz der CPT-Invarianz ist, dass die fundamentalen Eigenschaften wie Masse, Ladung, Lebensdauer und magnetisches Moment von Teilchen und ihren Antiteilchen betragsmäßig identisch sind. Folglich stellen hochpräzise Vergleiche dieser fundamentalen Eigenschaften zwingende CPT-Tests dar. Die BASE-Kollaboration [2] am Antiproton Decelerator AD (CERN, Genf) hat es sich zur Aufgabe gemacht, die CPT-Symmetrie durch den Vergleich der Ladungs-zu-Masse-Verhältnisse [3] und der magnetischen Momente [4] von Antiprotonen und Protonen mit höchster Präzision zu testen. Eine Entdeckung von CPT-Verletzung könnte dabei eine der brennendsten Fragen der modernen Physik beantworten, nämlich die nach dem Ursprung der auf kosmologischen Skalen beobachteten Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie.

Angetrieben durch diese Motivation gelang uns kürzlich der bisher präziseste Test der CPT-Symmetrie mit Baryonen [3]. Bei den Messungen wurde das Ladungs- (q) zu Masse- (m) Verhältnis von in einer Penningfalle gespeicherten Protonen und Antiprotonen mit einer Präzision von elf Nachkommastellen verglichen. Der erhaltene Messwert

(q/m)proton / (q/m)antiproton − 1 = 0.000 000 000 001(69)

ist im Rahmen der erreichten Messgenauigkeit von 7∙10−11 konsistent mit der CPT-Invarianz.

Experimente im Rekordvakuum

Für dieses Experiment werden in einem Beschleuniger am CERN Protonen auf Energien von etwa 26 Gigaelektronvolt beschleunigt (das entspricht 99,9 Prozent der Lichtgeschwindigkeit) und auf ein Iridium-Target gelenkt. Bei der Kollision des Strahls mit dem Targetmaterial entstehen in Paarerzeugungsreaktionen Antiprotonen, welche durch Magnetfelder (ein magnetisches Horn) fokussiert und in einem vierstufigen Zyklus im AD auf kinetische Energien von 5,3 Megaelektronvolt abgebremst werden. Typischerweise werden 30 Millionen Teilchen pro AD-Schuss über eine Abbremsfolie, den sogenannten Degrader in die Penningfallen-Apparatur injiziert und pro Injektion etwa 4000 Teilchen darin gespeichert. Die Kühlung der Antiprotonen durch Elektronen und mit Hilfe von resonanten Detektoren liefert schließlich Teilchen mit Energien im Bereich weniger als 10 Mikroelektronenvolt. Innerhalb eines nur 500 Sekunden dauernden Zyklus aus Teilchenproduktion, Entschleunigung und Präparation werden dabei in Energieskalen 14 Größenordnungen überbrückt. Durch den einfallenden Antiprotonenpuls werden zudem negative Wasserstoffionen (Hydridionen) im Degrader erzeugt, die zusammen mit den Antiprotonen in die Penningfalle gelangen.

Die äußerst komplexe Vierfallenapparatur (siehe Abb. 2) erlaubt es, ein Reservoir von Antiprotonen und Hydridionen zu speichern und mit Hilfe eigens entwickelter Manipulationstechniken einzelne Teilchen aus diesem Reservoir in eine Messfalle zu extrahieren [5]. Über eine Beobachtungszeit von mehreren Monaten hinweg erwies sich die Antiprotonen-Zahl im Reservoir als konstant; das bedeutet, dass in der Fallenkammer ein extrem geringer Hintergrunddruck von weniger als 5·10−18 Millibar herrscht.

Die Antimatie-Uhr

In Penningfallen lassen sich einzelne Ionen durch Überlagerungen von kontrollierten konstanten elektrischen und magnetischen Feldern speichern. Die Umlauffrequenzen der Ionen in der Falle, die sogenannten Zyklotronfrequenzen, sind direkt proportional zum gesuchten Ladungs-zu-Masseverhältnis.

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Abb. 2: Teil der Falle des BASE-Experiments, die zum Vergleich der Ladungs-zu-Masse-Verhältnissen von Protonen und Antiprotonen verwendet wurde. Eine Wolke von Teilchen wurde in der Reservoirfalle geparkt; aus dieser Wolke lassen sich bei Bedarf Teilchen in die Messfalle injizieren. Die Messfalle ist das Herzstück des Experiments. Sie befindet sich zwischen zwei Park-Elektroden, rechts ist das Antiproton, links das Hydridion geparkt. Zum schnellen Austausch mit hoher Messrate werden die Teilchen abwechselnd in die Messfalle transportiert und die Zyklotronfrequenzen gemessen.
Abb. 2: Teil der Falle des BASE-Experiments, die zum Vergleich der Ladungs-zu-Masse-Verhältnissen von Protonen und Antiprotonen verwendet wurde. Eine Wolke von Teilchen wurde in der Reservoirfalle geparkt; aus dieser Wolke lassen sich bei Bedarf Teilchen in die Messfalle injizieren. Die Messfalle ist das Herzstück des Experiments. Sie befindet sich zwischen zwei Park-Elektroden, rechts ist das Antiproton, links das Hydridion geparkt. Zum schnellen Austausch mit hoher Messrate werden die Teilchen abwechselnd in die Messfalle transportiert und die Zyklotronfrequenzen gemessen.

Die Vergleichsmessung dieser Frequenzen von Hydridionen und Antiprotonen entspricht somit dem Vergleich der Ganggeschwindigkeit einer Materie- mit einer Antimaterieuhr. Die Hydridionen wurden dabei als negativ geladenes Abbild von Protonen verwendet. Die erforderlichen Korrekturen wie die Bindungsenergien der beiden Elektronen, die Elektronenmasse und die Polarisationsverschiebungen sind bis auf die 13. Nachkommastelle bekannt und stellen damit keine Begrenzung bei der aktuellen Messgenauigkeit dar. Würde man stattdessen direkt Protonen mit Antiprotonen vergleichen, wären dagegen systematische Verschiebungen der Messresultate aufgrund der unterschiedlichen Vorzeichen der Ladungen ein limitierender Faktor für die erreichbare Genauigkeit des CPT-Tests.

Eine individuelle Frequenzmessung für eine Teilchensorte dauert knapp zwei Minuten, zum Austausch der Teilchen werden etwa 10 Sekunden benötigt. Ein einziger Frequenzvergleich dauert damit insgesamt etwas mehr als vier Minuten; das ist 50-mal schneller als in vergleichbaren Experimenten, die in den 1990-er Jahren von der TRAP-Kollaboration am CERN durchgeführt wurden [6]. Mit der neuen schnellen Austauschtechnik ließen sich die Zyklotronfrequenzen insgesamt 6500 Mal vergleichen (siehe Abb. 3).

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Abb. 3: Resultat der gesamten Vergleichsmessung des Ladungs-zu-Masse-Verhältnisses von Hydridionen und Antiprotonen.
Abb. 3: Resultat der gesamten Vergleichsmessung des Ladungs-zu-Masse-Verhältnisses von Hydridionen und Antiprotonen.

Eine Streuung der Messresultate ist noch durch die Magnetfeldfluktuationen in der AD-Beschleunigerhalle verursacht. Durch Weiterentwicklungen an der Apparatur ließen sich diese kürzlich um einen Faktor vier reduzieren, was sich bei einer neuerlichen Messkampagne, bei sonst gleichen Bedingungen, direkt auf die Präzision der Messung niederschlagen wird.

Schwache Äquivalenz

Eine interessante Interpretation der Messung betrifft den Test einer der Grundannahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie – des schwachen Äquivalenzprinzips [7]. Bei Gültigkeit der CPT-Invarianz verhalten sich Materie and Antimaterie in Gravitationsfeldern identisch und so müssten die Zyklotronfrequenzen von Proton und Antiproton gleich sein. Sollte sich jedoch Antimaterie unter dem Einfluss der Schwerkraft anders verhalten als Materie, würde sich dies direkt auf die Zyklotronfrequenzen niederschlagen, da Proton und Antiproton im Gravitationsfeld der Erde unterschiedliche starke Gravitationsrotverschiebungen erfahren würden. Anhand des aktuellen Resultats lassen sich bestimmte auf dem Gebiet der Gravitationsforschung mit Antimaterie eingeführte Anomalieparameter eingrenzen.

Perspektive

Neben dem hier erfolgreich durchgeführten Test der CPT-Symmetrie strebt die BASE-Kollaboration an, das magnetische Moment des Antiprotons direkt zu messen. Zu diesem Zweck entwickelte Techniken sollen die Genauigkeit des gegenwärtig besten Wertes [8] um mindestens einen Faktor 1000 verbessern [4]. Ein wichtiger Schritt zum Erreichen dieses Ziels war der direkte Nachweis von Spinübergängen einzelner Antiprotonen [9, 10], welcher in der CERN Antiproton-Strahlzeit 2015 erfolgreich realisiert wurde.

In Zusammenarbeit mit:

Yasunori Yamazaki (RIKEN), Yasuyuki Matsuda (University of Tokyo), Jochen Walz (Universität Mainz) und Wolfgang Quint (GSI Darmstadt).

Literaturhinweise

1.
Lüders, G.
Proof of the TCP theorem
Annals of Physics 2, 1-15 (1957)
DOI
2.
Smorra, C.; Blaum, K.; Bojtar, L.; Borchert, M.; Franke, K. A.; Higuchi, T.; Leefer, N.; Nagahama, H.; Matsuda, Y.; Mooser, A.; Niemann, M.; Ospelkaus, C.; Quint, W.; Schneider, G.; Sellner, S.; Tanaka, T.; Van Gorp, S.; Walz, J.; Yamazaki, Y.; Ulmer, S.
BASE - The Baryon Antibaryon Symmetry Experiment
The European Physical Journal Special Topics 224, 3055-3108 (2015)
DOI
3.
Ulmer, S.; Smorra, C.; Mooser, A.; Franke, K.; Nagahama, H.; Schneider, G.; Higuchi, T.; Van Gorp, S.; Blaum, K.; Matsuda, Y.; Quint, W.; Walz, J.; Yamazaki, Y.
High-precision comparison of the antiproton-to-proton charge-to-mass ratio
Nature 524, 196-199 (2015)
DOI
4.
Mooser, A.; Ulmer, S.; Blaum, K.; Franke, K.; Kracke, H.; Leiteritz, C.; Quint, W.; Rodegheri, C. C.; Smorra, C.; Walz, J.
Direct high-precision measurement of the magnetic moment of the proton
Nature 509, 596-599 (2014)
DOI
5.
Smorra, C.; Mooser, A.; Franke, K.; Nagahama, H.; Schneider, G.; Higuchi, T.; Van Gorp, S.; Blaum, K.; Matsuda, Y.; Quint, W.; Walz, J.; Yamazaki, Y.; Ulmer, S.
A reservoir trap for antiprotons
International Journal of Mass Spectrometry 389, 10-13 (2015)
DOI
6.
Gabrielse, G.; Khabbaz, A.; Hall, D. S.; Heimann, C.; Kalinowsky, H.; Jhe, W.
Precision Mass Spectroscopy of the Antiproton and Proton Using Simultaneously Trapped Particles
Physical Review Letters 82, 3198-3201 (1999)
DOI
7.
Hughes, R. J.; Holzscheiter, M. H.
Constraints on the gravitational properties of antiprotons and positrons from cyclotron-frequency measurements
Physical Review Letters 66, 854-857 (1991)
DOI
8.
DiSciacca, J.; Marshall, M.; Marable, K.; Gabrielse, G.; Ettenauer, S.; Tardiff, E.; Kalra, R.; Fitzakerley, D. W.; George, M. C.; Hessels, E. A.; Storry, C. H.; Weel, M.; Grzonka, D.; Oelert, W.; Sefzick, T. (ATRAP Collaboration)
One-Particle Measurement of the Antiproton Magnetic Moment
Physical Review Letters 110, 130801 (2013)
DOI
9.
Ulmer, S.; Rodegheri, C. C.; Blaum, K.; Kracke, H.; Mooser, A.; Quint, W.; Walz, J.
Observation of Spin Flips with a Single Trapped Proton
Physical Review Letters 106, 253001 (2011)
DOI
10.
Mooser, A.; Kracke, H.; Blaum, K.; Bräuninger, S. A.; Franke, K.; Leiteritz, C.; Quint, W.; Rodegheri, C. C.; Ulmer, S.; Walz, J.
Resolution of Single Spin Flips of a Single Proton
Physical Review Letters 110, 140405 (2013)
DOI
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