Warum existiert Materie? Die Rundheit der Elektronen könnte Hinweise liefern

In den ersten Augenblicken unseres Universums bildeten sich neben ihren Antimaterie-Gegenstücken unzählige Protonen, Neutronen und Elektronen. Als sich das Universum ausdehnte und abkühlte, trafen fast alle diese Materie- und Antimaterieteilchen aufeinander und vernichteten sich gegenseitig, wobei nur Photonen oder Lichtblitze zurückblieben.

Und wenn das Universum vollkommen symmetrisch wäre, mit gleichen Mengen an Materie und Antimaterie, wäre das das Ende der Geschichte – und wir hätten nie existiert. Aber es muss ein Ungleichgewicht gegeben haben – einige übrig gebliebene Protonen, Neutronen und Elektronen –, aus dem Atome, Moleküle, Sterne, Planeten, Galaxien und schließlich Menschen entstanden.

„Wenn das Universum perfekt symmetrisch gewesen wäre, gäbe es nichts anderes als Licht. Dies ist ein äußerst wichtiger Moment in der Geschichte. Plötzlich gibt es Dinge im Universum und die Frage ist, warum?“ sagte NIST/JILA Fellow Eric Cornell. „Warum haben wir diese Asymmetrie?“

Die mathematischen Theorien und Gleichungen, die unser Universum erklären, erfordern Symmetrie. Teilchentheoretiker haben diese Theorien verfeinert, um das Vorhandensein von Asymmetrie zu bekämpfen. Aber ohne Beweise seien diese Theorien nur Mathematik, erklärt Cornell, weshalb Experimentalphysiker, darunter auch seine Gruppe am JILA, fundamentale Teilchen wie Elektronen auf Anzeichen von Asymmetrie untersucht haben.

Jetzt hat die JILA-Gruppe eine rekordverdächtige Messung von Elektronen durchgeführt und damit die Suche nach der Ursache dieser Asymmetrie eingegrenzt. Seine Ergebnisse wurden in veröffentlicht Wissenschaft.

Ein Ort, an dem man nach Hinweisen auf Asymmetrie suchen kann, ist das elektrische Dipolmoment (eEDM) des Elektrons. Elektronen bestehen aus negativer elektrischer Ladung, und das eEDM gibt an, wie gleichmäßig diese Ladung zwischen dem Nord- und Südpol des Elektrons verteilt ist. Jede Messung des eEDM über Null würde eine Asymmetrie bestätigen; Das Elektron wäre eher eiförmig als kreisförmig. Aber niemand weiß, wie gering diese Abweichung sein mag.

„Wir müssen unsere Mathematik verbessern, um näher an der Realität zu sein“, sagte Tanya Roussy, eine Doktorandin in Cornells Forschungsgruppe am JILA. „Wir suchen nach Orten, an denen diese Asymmetrie sein könnte, damit wir verstehen können, woher sie kommt. Elektronen sind fundamentale Teilchen, und ihre Symmetrie verrät uns etwas über die Symmetrie des Universums.“

Cornell, Roussy und ihr Team am NIST und JILA haben kürzlich einen Rekord für Präzisionsmessungen von eEDM aufgestellt und sich gegenüber früheren Messungen um den Faktor 2,4 verbessert.

Wie genau ist das? Wenn ein Elektron die Größe der Erde hätte, ergab ihre Studie, dass jede vorhandene Asymmetrie kleiner als der Radius eines Atoms wäre, erklärte Roussy.

Eine so präzise Messung sei unglaublich schwierig, fügt sie hinzu, daher musste die Gruppe klug vorgehen. Die Forscher untersuchten Hafniumfluoridmoleküle. Wenn sie ein starkes elektrisches Feld an die Moleküle anlegen würden, würden sich die nicht runden Elektronen am Feld ausrichten und sich innerhalb des Moleküls bewegen. Wenn sie rund wären, würden sich die Elektronen nicht bewegen.

Mit einem Ultraviolettlaser lösten sie Elektronen von Molekülen ab, bildeten eine Reihe positiv geladener Ionen und fingen sie ein. Durch das Wechseln des elektromagnetischen Feldes um die Falle wurden die Moleküle gezwungen, sich entweder mit dem Feld auszurichten oder nicht. Dann verwendeten die Forscher Laser, um die Energieniveaus der beiden Gruppen zu messen. Wenn die Niveaus zwischen ihnen unterschiedlich wären, würde das darauf hindeuten, dass die Elektronen asymmetrisch wären.

Ihr Experiment ermöglichte ihnen längere Messzeiten als bei früheren Versuchen, was ihnen eine höhere Empfindlichkeit verlieh. Die Messungen der Gruppe zeigten jedoch, dass sich die Energieniveaus der Elektronen nicht bewegten, was darauf hindeutet, dass Elektronen, soweit wir derzeit messen können, rund sind.

Es gebe keine Garantie dafür, dass irgendjemand eine Messung des eEDM ungleich Null finden werde, betont Cornell, aber dieses Maß an Präzision aus einem Tischexperiment sei eine Errungenschaft. Es zeigt, dass teure Teilchenbeschleuniger nicht die einzige Möglichkeit sind, diese grundlegenden Fragen zum Universum zu erforschen, und dass es viele Möglichkeiten gibt, es auszuprobieren. Und obwohl die Gruppe keine Asymmetrie fand, werden ihre Ergebnisse dem Forschungsgebiet dabei helfen, weiterhin nach Antworten auf die Asymmetrie des frühen Universums zu suchen.

„Wir haben bis zu unserer Messung herausgefunden, dass das Elektron symmetrisch ist. Wenn wir einen Wert ungleich Null gefunden hätten, wäre das eine große Sache“, fügte Roussy hinzu. „Am besten ist es, Wissenschaftlerteams auf der ganzen Welt zu haben, die verschiedene Optionen prüfen. Solange wir alle weiter nach der Wahrheit suchen, wird sie irgendwann jemand finden.“