Dem Rätsel der Materie auf der Spur

Beim Urknall entstand sowohl die Materie des Universums als auch die sogenannte 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 Forschende unter anderem mithilfe von Neutronen zu finden, den elektrisch ungeladenen Elementarbausteinen der Atome. Die Vermutung: Hätte das Neutron ein sogenanntes 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.

50'000 Messungen

Die Suche nach dem nEDM lässt sich alltagssprachlich ausdrücken als die Frage, ob das Neutron ein elektrischer Kompass ist oder nicht. Schon lange ist klar, dass das Neutron ein magnetischer Kompass ist und auf ein Magnetfeld reagiert, oder im Fachjargon: ein magnetisches Dipolmoment hat.

Sollte das Neutron zusätzlich auch ein elektrisches Dipolmoment haben, wäre dessen Wert sehr viel geringer – und daher ungleich schwieriger zu messen. Das haben bereits frühere Messungen anderer Forschungsgruppen ergeben. Daher mussten die Forschenden am PSI bei ihrer jetzigen Messung das lokale Magnetfeld mit hohem Aufwand sehr konstant halten.

Selbst jeder Lastwagen, der auf der Landstrasse neben dem PSI vorbeifuhr, störte das Magnetfeld in einer für dieses Experiment relevanten Grössenordnung und musste daher aus den Versuchsdaten herausgerechnet werden.

Auch die Anzahl der beobachteten Neutronen musste entsprechend gross sein, um eine Chance zu haben, ihr nEDM zu messen. Am PSI liefen die Messungen daher über einen Zeitraum von zwei Jahren. Vermessen wurden sogenannte 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 vermassen die Forschenden 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.»

Suche nach «neuer Physik»

Das neue Resultat hat ein Zusammenschluss von Forschenden an 18 Instituten und Hochschulen in Europa und den USA, darunter der ETH Zürich, Universität Bern und Universität Freiburg (Schweiz), ermittelt. Die Daten hatten sie an der Quelle für ultrakalte Neutronen des PSI gesammelt. Die Forschenden hatten dort über zwei Jahre hinweg Messdaten gewonnen, sie in zwei Teams sehr sorgfältig ausgewertet und dadurch ein genaueres Ergebnis als je zuvor erhalten.

Das nEDM-Forschungsprojekt ist Teil der Suche nach sogenannter «neuer Physik», die über das sogenannte 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.»

«Letztlich», so Georg Bison, der wie Schmidt-Wellenburg Forscher im Labor für Teilchenphysik am PSI ist, «zeigen verschiedene kosmologische Beobachtungen Abweichungen vom Standardmodell. Im Labor dagegen hat man sie noch nicht nachstellen können. Das ist eine der sehr grossen Fragen der modernen Physik und macht unsere Arbeit so spannend.»

Noch genauere Messungen geplant

Mit ihrem neuesten Experiment ist es den Forschenden nicht anders ergangen. «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», so Schmidt-Wellenburg.

«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.»

Daher ist die nächste, noch genauere Messung 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», erklärt Bison. Ab 2021, so sehen die PSI-Forschenden vor, soll daran die nächste Messreihe des nEDM starten und die jetzige wiederum in ihrer Genauigkeit übertreffen.

«Wir haben in den letzten zehn Jahren sehr viele Erfahrungen gesammelt und sie für die stetige Optimierung unseres Experiments nutzen können – sowohl hinsichtlich unserer Neutronenquelle als auch allgemein zur bestmöglichen Auswertung solch komplexer Daten in der Teilchenphysik», freut sich auch Schmidt-Wellenburg. «Die jetzige Publikation hat international einen neuen Standard gesetzt.»

Text: Paul Scherrer Institut/Laura Hennemann

Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2100 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 407 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL.

Dr. Philipp Schmidt-Wellenburg
Labor für Teilchenphysik, Forschungsbereich für Forschung mit Neutronen und Myonen
Paul Scherrer Institut, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen PSI, Schweiz
Telefon: +41 56 310 56 80, E-Mail: philipp.schmidt-wellenburg@psi.ch [Deutsch, Englisch]

Dr. Georg Bison
Labor für Teilchenphysik, Forschungsbereich für Forschung mit Neutronen und Myonen
Paul Scherrer Institut, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen PSI, Schweiz
Telefon: +41 56 310 58 36, E-Mail: georg.bison@psi.ch [Deutsch, Englisch]

Measurement of the permanent electric dipole moment of the neutron
C. Abel et al.
Physical Review Letters 28. Februar 2020 (online)

Abstract: https://journals.aps.org/prl/accepted/b607fY80Z3a12a6ab8689246ed949444cd5500f42

https://www.psi.ch/de/node/31203 – Darstellung der Mitteilung auf der Webseite des PSI und Bildmaterial
https://www.psi.ch/de/node/32571 – Neue Methode wird bisher genaueste Vermessung von Neutronen ermöglichen