Warum gibt es überhaupt Materie und unser Universum?

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Der Beginn unseres Universums war eine gewalttätige und chaotische Angelegenheit. Materie- und Antimaterieteilchen entstanden und verschwanden in Lichtausbrüchen. Wenn sich Elektronen, Neutronen, Protonen und ihre Antimaterie-Äquivalente (mit entgegengesetzter elektrischer Ladung) paarweise berührten, vernichteten sie sich gegenseitig, wobei nur reine Energie übrig blieb, sichtbar in den Photonenblitzen. Und wenn dieses Gleichgewicht gewahrt geblieben wäre, hätten wir nichts mehr übrig. Es gäbe kein Universum – kein Wir.

Aber das ist offensichtlich nicht der Fall, und irgendwie setzte sich die Materie durch, wobei aus den übriggebliebenen Teilchen Atome, Moleküle und schließlich die gesamte Materie, die wir haben, entstanden. Und rätselhafterweise gibt es nicht viel Antimaterie, die wir finden können.

Was erklärt dieses Problem der Asymmetrie, auch wenn die Mathematik in die andere Richtung zu weisen scheint und Symmetrie fordert? Ein neuer Artikel der Gruppe um den Nobelpreisträger Eric A. Cornell vom JILA/NIST an der University of Colorado Boulder geht der Beantwortung dieser Frage einen Schritt näher.

Dr. Eric Allin Cornell erhielt 2001 gemeinsam mit Carl E. Wieman und Wolfgang Ketterle den Nobelpreis für Physik für ihre Arbeit bei der Synthese des ersten Bose-Einstein-Kondensats im Jahr 1995. Jetzt untersucht Cornells Gruppe experimenteller Physiker am JILA grundlegende Teilchen wie Elektronen, um Asymmetrie zu erkennen.

In ihrer neuen Studie, die in Science veröffentlicht wurde, stellt die Gruppe eine rekordverdächtige Elektronenmessung vor, die uns der Aufklärung der Ursache der Asymmetrie näher bringt.

Das Team konzentrierte seine Aufmerksamkeit auf das sogenannte elektrische Dipolmoment des Elektrons (eEDM). Das eEDM sagt uns, wie gleichmäßig die negative elektrische Ladung eines Elektrons zwischen seinem Nord- und Südpol verteilt ist. Wenn eine Unebenheit auftritt und der eEDM-Wert über Null liegt, würde dies darauf hinweisen, dass das Elektron nicht vollständig kreisförmig und eher eiförmig ist. Dies wäre wiederum ein Beweis für eine Asymmetrie, die die Existenz von Materie erklären könnte.

Durch die Arbeit mit Hafniumfluoridmolekülen hat Cornells Team unsere Fähigkeit zur Messung des eEDM erheblich verbessert. Es ist ihnen gelungen, eine Messung durchzuführen, die 2,4-mal präziser ist als die zuvor durchgeführten Messungen.

Wie in der Pressemitteilung des National Institute of Standards and Technology (NIST) erläutert, umfasste der Prozess die Verwendung eines Ultraviolettlasers, um Elektronen aus Molekülen zu entfernen und so eine Reihe positiv geladener Ionen zu erzeugen, die dann eingefangen wurden.

Ein elektromagnetisches Feld wechselte um die Falle herum und bewirkte, dass sich die Moleküle entweder ausrichteten oder nicht. Anschließend wurden Laser eingesetzt, um die Energieniveaus in den beiden so entstandenen Gruppen zu messen. Jeder Unterschied in den Niveaus würde darauf hinweisen, dass die Elektronen nicht symmetrisch sind.

Für das neue Experiment konnte das Team längere Messzeiten als bisher erreichen. Dies wiederum führte zu einer besseren Empfindlichkeit und Präzision. Sie bemerkten jedoch keine Bewegung in den Ebenen und kamen zu dem Schluss, dass Elektronen zumindest bei diesem Präzisionsgrad immer noch kreisförmig zu sein scheinen.

Bildnachweis: Casey A. Cass/University of Colorado

Interesting Engineering sprach mit Dr. Eric Cornell, um weitere Einblicke in die Methoden und Ergebnisse der Gruppe zu erhalten.

Das Folgende wurde aus Gründen der Klarheit und des Ablaufs leicht bearbeitet.

Interessante Technik: Warum ist es wichtig, Beweise für Asymmetrie zu finden?

Dr. Cornell: Wir wissen von Anfang an, dass es Asymmetrie gibt, und bei der Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie besteht das Universum aus dem einen und nicht aus dem anderen. Und wir können im Grunde in der Zeit zurückblicken und sehen, dass es nach dem Urknall eine Milliarde Mal mehr Dinge im Universum gab als heute. Und auf eine Milliarde Protonen und eine Milliarde Antiprotonen kamen tatsächlich eine Milliarde und ein Proton, und so hielten sie alle zusammen. Und was übrig blieb, war ein winziger Bruchteil der Materie und Antimaterie, die nach dem Urknall übrig geblieben war.

Und es ist wirklich gut, dass es nicht genau dasselbe war. Denn wenn es genau das Gleiche gewesen wäre, gäbe es nichts mehr als Licht, also ist es irgendwie rätselhaft, warum diese winzige kleine Unvollkommenheit vom Urknall übrig geblieben ist. Und vor allem, weil es eine so wichtige Bedeutung hatte – deshalb sind wir alle hier.

Also Theorieleute – Teilchenphysiker, die Theorie betreiben, was nicht ich bin, das sollte ich betonen – sie finden mathematische Erklärungen. Und es stellt sich heraus, dass es sehr schwierig ist, eine mathematische Erklärung zu finden, die den Ursprung des Urknalls erklärt, und die nicht auch erklärt oder vorhersagt, [warum] bestimmte Teilchen, ... wie Elektronen sowie Protonen und Neutronen sollten diese Asymmetrie aufweisen.

Es gibt also gute Gründe zu der Annahme, dass Teilchen eine Asymmetrie aufweisen sollten. Und wenn wir darüber hinaus [Asymmetrie] sehen können, hilft das irgendwie, zu beleuchten, was in den frühen Sekunden des Universums geschah.

Aber darüber hinaus sollte das Elektron selbst symmetrisch sein. Und die Tatsache, dass es asymmetrisch ist, hat damit zu tun, dass Teilchen, da sie geladen sind, die Welt um sie herum irgendwie polarisierten. Und diese Polarisation schließt die Polarisation des Vakuums ein, was zumindest die virtuelle Präsenz viel schwererer Teilchen einschließt. Und das sind die Teilchen, die dem Elektron seine Asymmetrie verleihen würden.

Es handelt sich also um eine Art Suche nach schwereren Teilchen. Wir sehen sie nicht direkt, aber wir sehen Beweise dafür – Teilchen, die zu schwer sind, um in einem Beschleuniger wie dem Large Hadron Collider gesehen zu werden.

Es ist also irgendwie interessant, wenn wir nichts sehen, und bis jetzt haben wir auch nichts gesehen. Das deutet darauf hin, dass die Teilchen, die wir noch nicht gesehen haben, immer massiver werden, da wir dem Dipolmoment des Elektrons immer engere Grenzen setzen – das war unser jüngstes Ergebnis – eine neue, engere Grenze.

Es stellt sich heraus, dass jedes Mal, wenn wir die Genauigkeit des Elektrons um einen Faktor zwei erhöhen und nichts sehen, die Mindestschwelle für die Massen, die Teilchen haben können, ansteigt. Der Large Hadron Collider hat keine Teilchen außerhalb des Standardmodells gesehen. Und dadurch liegt die Grenze bei etwa ein oder zwei Teraelektronenvolt.

Die Ergebnisse der Dipolmoment-Experimente treiben diesen Wert noch weiter in die Höhe. Und wenn wir es immer weiter nach oben treiben, kommt man an einen Punkt, an dem man meinen könnte, es hätte keinen Sinn, einen neuen Beschleuniger zu bauen, es sei denn, wir können einen bauen, der größer ist als „juhu!“.

Und das hat enorme Auswirkungen auf die Zukunft der Teilchenphysik. Aus meiner Sicht bin ich also nicht nur eitel – es ist eine wichtige Messung und hat Auswirkungen darauf, wie die Teilchenphysik vorgehen sollte, wenn man neue Teilchen sehen möchte.

Und die Theoretiker, die versuchen, Erklärungen für die Physik zu finden, die über das Standardmodell hinausgehen, einschließlich der Erklärung der Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie – für sie sind diese Messungen eingeschränkt.

Wissen Sie, wenn man Tennis spielt, hat es keinen Sinn zu spielen, ohne ein Netz zu haben – und es hat keinen Sinn, sich mit Teilchenphysik zu befassen, es sei denn, man hat verschiedene Einschränkungen, die einen dazu zwingen, eine Theorie zu haben, die die Realität formt. Und die Realität ist, dass diese Dipolmomente wirklich, wirklich winzig sind.

Bildnachweis: JILA/Steven Burrows

Interessante Technik: Wie hat Ihre Messung eine höhere Präzision erreicht als frühere Ansätze?

Okay, wir versuchen also, ein elektrisches Dipolmoment zu messen. Das klingt irgendwie exotisch, aber die Messung magnetischer Dipolmomente ist sehr, sehr Standard. Wie jedes Mal, wenn man von einem Magnetresonanztomographiegerät (MRT) hört, oder in der Chemie wird etwas namens ESR (Elektronenspinresonanz) durchgeführt. Dabei wird lediglich das magnetische Moment von Protonen gemessen.

Im Fall der MRT und der Elektronen im Fall der chemischen ESR ist es im Grunde das, was sie tun, indem sie einfach etwas in einen großen Magneten geben und ihn mit Radiowellen bestrahlen, um zu sehen, ob die Elektronen oder die Protonen umkippen . Und dabei misst man das magnetische Moment des Protons oder des Elektrons.

Wenn man stattdessen ein großes Magnetfeld oder ein großes elektrisches Feld anlegt ... Wenn das Elektron nun ein elektrisches Dipolmoment hat, ändert sich die Frequenz des Photons, das es umdrehen muss. Und so werden wir eine kleine Verschiebung im Resonanzzeichen sehen – wir haben tatsächlich ein Magnetfeld.

Und wir fügen noch ein elektrisches Feld hinzu, das entweder in die gleiche Richtung wie das Magnetfeld zeigt oder in die vom Magnetfeld entgegengesetzte Richtung. Und ... und wenn wir eine kleine Veränderung sehen – das ist das elektrische Dipolmoment.

Wie kommt es, dass wir es besser können als alle anderen? Nun, man braucht ein paar Dinge, um dieses Experiment wirklich gut durchzuführen – man braucht ein wirklich großes elektrisches Feld ... viel größer, als wenn man einfach zwei Metallplatten nimmt und sie auflädt. Sobald man das Feld auf ungefähr 100 Kilovolt pro Zentimeter gebracht hat, fängt es einfach an, Funken zu bilden, man kann im freien Raum kein größeres Feld erzeugen.

Woher bekommt man also ein großes elektrisches Feld? Nun, die Art und Weise der Natur, ein großes elektrisches Feld zu erzeugen, ist ein Molekül. [Mit] Natriumchlorid [bestehend aus Atomen von Natrium und negativ geladenem Chlor], das Natrium ist positiv, das Chlor negativ – man denkt nie darüber nach. Aber wenn Sie ein winziger kleiner Mensch wären, der zwischen Natrium und Chlor leben könnte, würden Sie ein wirklich großes elektrisches Feld erleben – viel größer, als wir es im Labor haben können.

Und wir verwenden in unserem Fall ein sehr, sehr schweres Hafniumatom auf einer Seite – es ist sehr schwer und sehr positiv. Und auf der anderen Seite verwenden wir ein Atom [die ionische Form von Fluor], das extrem negativ ist, sogar negativer als Chlor – also verwenden wir Hafniumfluorid.

Und der Vorteil gegenüber Salz besteht darin, dass nicht alle Elektronen gepaart sind. Im Salz sind die Elektronen gepaart und es gibt keinen Nettoelektronenspin. Sie könnten dieses Resonanzexperiment also nicht durchführen.

Aber im Hafniumfluorid, oder in unserem Fall Hafniumfluorid plus, dem Molekül, haben die Elektronen einen gewissen Spin. Dieser Spin zeigt entlang der Richtung zwischen den beiden Atomen innerhalb des Moleküls. Es scheint also, dass wir das Experiment mit dem Molekül durchführen. Tatsächlich machen wir es sozusagen mit den Elektronen im Inneren des Moleküls.

Sie haben gefragt: Wie können wir das so gut machen? Eine Sache ist also das große elektrische Feld. Die andere Sache ist, dass wir eine Frequenz messen wollen. Und um eine Frequenz wirklich gut zu messen, muss man sie über einen langen Zeitraum messen. Grundsätzlich gilt: Wenn Sie eine sehr präzise Messung einer Energie durchführen möchten, die in der Physik mit der Frequenz identisch ist, möchten Sie eine Frequenz wirklich präzise messen – also möchten Sie sie lange betrachten. Daher besteht beim Umdrehen eine große Unsicherheit.

Also haben wir die Ionen in eine Falle gestellt. Wir verwenden eigentlich kein Hafniumfluorid – wir verwenden Hafniumfluorid Plus, daher ist es relativ einfach, sie in einer kleinen Box aufzubewahren – einer elektrostatischen Box, die sie in der Nähe hält.

Und wir können sie mehrere Sekunden lang betrachten. Man nennt dies also die Kohärenzzeit – wie lange man eine Resonanz kohärent untersuchen kann. Wir haben wahrscheinlich die längste Kohärenzzeit, die jemals in einem Molekül beobachtet wurde. Wir haben also die schmalsten Linien, die es uns ermöglichen, sehr kleine Änderungen zu erkennen.

Das sind unsere beiden großen Vorteile im Vergleich zu unserer Konkurrenz – und wir haben ziemlich viel Konkurrenz. Es gibt derzeit viele Gruppen, die daran arbeiten.

Interessante Technik: Erwarten Sie, dass zukünftige Studien eine Messung des eEDM ungleich Null finden werden?

Ich hoffe doch. Für mich ist es aus all den Gründen, die ich zuvor erklärt habe, sehr spannend, einen genaueren Messwert zu messen, auch wenn dieser Null ist. Null mit kleinen Fehlerbalken hat in diesem Geschäft eine große Bedeutung. Es wäre doch spannender, einen Wert ungleich Null zu messen, oder? Und wir versuchen, die Präzision um einen weiteren Faktor von 10 – vielleicht sogar um den Faktor fünf – zu erhöhen. Wir haben bereits mit dem Bau der neuen Maschine begonnen, was mehrere Jahre dauern wird. Es ist eine noch kompliziertere Maschine, aber sie kommt voran.

Lesen Sie die Studie „Eine verbesserte Grenze des elektrischen Dipolmoments des Elektrons.“

Das Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie in unserem Universum ist eine zwingende Motivation für die Suche nach unentdeckten Teilchen, die die Ladungsparitätssymmetrie verletzen. Wechselwirkungen mit Vakuumfluktuationen der mit diesen neuen Teilchen verbundenen Felder werden ein elektrisches Dipolmoment des Elektrons (eEDM) induzieren. Wir präsentieren die bisher präziseste Messung des eEDM unter Verwendung von Elektronen, die in Molekülionen eingeschlossen sind, einem riesigen intramolekularen elektrischen Feld ausgesetzt sind und sich bis zu 3 Sekunden lang kohärent entwickeln. Unser Ergebnis stimmt mit Null überein und verbessert die bisherige beste Obergrenze um den Faktor ~2,4. Unsere Ergebnisse liefern Einschränkungen für breite Klassen der neuen Physik oberhalb von 10^13 Elektronenvolt, außerhalb der direkten Reichweite der aktuellen Teilchenbeschleuniger oder derjenigen, die in den kommenden Jahrzehnten wahrscheinlich verfügbar sein werden.