Messung der Paritätsverletzung bei verschiedenen Isotopen von atomarem Ytterbium entspricht Erwartungen des Standardmodells der Teilchenphysik
07.11.2018
Ein Spiegelbild gibt den jeweiligen Gegenstand immer komplett gespiegelt wieder und nicht nur einzelne Teile davon oder einzelne Teile in einer völlig verschiedenen Ausrichtung. Alles oder nichts – der Spiegel kann nicht "nur ein bisschen" reflektieren. Dieses Beispiel veranschaulicht ein fundamentales Symmetrieprinzip der Natur. Dass die Gesetze der Natur in unserer Welt und in der Spiegelwelt gleich sind, also die Parität erhalten bleibt, galt in der Physik für Jahrzehnte als gegeben – bis zum Jahr 1956. In der Welt der kleinsten Teilchen, genauer in der Welt der schwachen Wechselwirkung, wurde damals eine Verletzung dieses Prinzips entdeckt. Seitdem erforschen Wissenschaftler die Effekte der sogenannten Paritätsverletzung. Physikern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ist es nun gelungen, die Paritätsverletzung bei Ytterbium-Atomen mit unterschiedlicher Neutronenzahl zu ermitteln. Die Messungen bestätigen erstmals Erwartungen, die auf dem Standardmodell der Teilchenphysik beruhen und Veränderungen in der Paritätsverletzung bei einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen vorhersagen. Die Arbeit wurde in dem renommierten Fachmagazin Nature Physics publiziert.
Effekt der Paritätsverletzung steigt mit Anzahl der Neutronen
Paritätsverletzungen sind nur für die schwache Wechselwirkung, eine der vier fundamentalen Kräfte der Natur, bekannt. Dem Nachweis 1956 bei einem Betazerfall folgte 1979 die Entdeckung auch bei Atomen und in der Folge die Untersuchung unterschiedlicher Elemente. Prof. Dr. Dmitry Budker startete 1995 an der University of California, Berkeley mit Präzisionsmessungen an dem Element Ytterbium, einem Seltenerdmetall, und brachte 2014 diese Arbeiten mit nach Mainz. "Wir haben mit verschiedenen Ytterbium-Isotopen gearbeitet, also Atomen mit der gleichen Anzahl Protonen, aber unterschiedlich vielen Neutronen im Kern", erklärt Dr. Dionysis Antypas vom Helmholtz-Institut Mainz (HIM). "Von sieben Ytterbium-Isotopen haben wir eine Kette von vier Isotopen ausgewählt und fanden die Erwartungen bestätigt: Je mehr Neutronen der Kern enthält, desto größer ist der Effekt der Paritätsverletzung", sagt Antypas zu den Ergebnissen der vierjährigen Arbeit an dem Projekt.
Der Isotopen-Vergleich bei Ytterbium geht auf einen Vorschlag von Prof. Dr. Victor Flambaum aus dem Jahr 1986 zurück. Der australische Physiker von der University of New South Wales ist seit zwei Jahren Fellow des Gutenberg Forschungskollegs (GFK) und arbeitet mit den Mainzer Wissenschaftlern zusammen. Die Untersuchungen erfolgten mit einem Aufbau am HIM: Ytterbium-Atome werden in Gegenwart eines elektrischen und eines magnetischen Feldes mit Laserlicht angeregt und die Amplitude der Paritätsverletzung gemessen.
Ergebnisse ebnen den Weg für weitere Untersuchungen des Ytterbium-Atomkerns
"Das jetzige Ergebnis ist ein signifikanter Meilenstein bei der Erforschung der atomaren Paritätsverletzung", fasst Budker die Daten zusammen. "Das Ergebnis ist außerdem ein sehr wichtiger Meilenstein in Richtung auf unsere zukünftigen Ziele." Die Wissenschaftler haben im Rahmen ihrer Messungen auch Informationen über ein zusätzliches Z-Boson vorgelegt. Z-Bosonen vermitteln die schwache Wechselwirkung und es wird in der Fachwelt darüber spekuliert, ob es noch ein weiteres Z-Boson – bezeichnet als "Z prime" oder "Z'", dessen Masse viel geringer als die des bekannten Z-Bosons ist – gibt oder nicht.
Die künftigen Aufgaben sehen Budker und Antypas vor allem darin, die Verteilung von Neutronen im Ytterbium-Atomkern zu messen und die schwache Wechselwirkung zwischen den Nukleonen des Ytterbiumkerns zu studieren. Die Vorhaben erfolgen in guter Übereinstimmung mit dem MESA-Programm und den Projekten des Exzellenzclusters PRISMA+ der Universität Mainz.