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Airbus A-380 im Steigflug

Elektronenmasse: Die Mücke im Airbus

Deutschen Physikern ist ein Weltrekord gelungen. Sie haben die Masse des Elektrons so genau bestimmt wie nie zuvor - nun wollen sie in Folgeexperimenten das Standardmodell der Teilchenphysik überprüfen. Eine Widerlegung wäre nicht unerwünscht, denn die Theorie gilt als "hässlich".

Physik 21.02.2014

Das Elektron mag ein kleines, unscheinbares Teilchen sein, und doch hängt an ihm das Schicksal des ganzen Universums. "Hätte das Elektron eine andere Masse, wäre auch die Physik und die Chemie eine völlig andere", sagt Sven Sturm vom Max-Planck-Institut für Kernphysik im Gespräch mit science.ORF.at. Man könnte auch sagen: Wäre das Elementarteilchen nicht so, wie es ist, dann wären die Moleküle anders beschaffen, es gäbe kein Leben und keine Physiker, die sich für seine Eigenschaften interessieren.

Rekord 13-fach überboten

Warum das Elektron ausgerechnet 1.836 Mal leichter als das Proton ist, kann die Physik nicht beantworten. Im Grunde kennt man noch nicht einmal die richtige Frage. Denn ihre richtige Formulierung setzt eine hinreichend genaue Kenntnis der Naturkonstanten voraus.

Die Studie

"High-precision measurement of the atomic mass of the electron", Nature (20. Februar 2014; doi: 10.1038/nature1302601).

Die Naturkonstanten sind Sturms Metier: Ihm und seinen Mitarbeitern ist nun die bisher genaueste Massenbestimmung des Elektrons gelungen. Wobei das Messgerät ein bisschen komplizierter ist als eine herkömmliche Waage. Sturm hat einen Kohlenstoffrumpf mit einem einzelnen Elektron in eine Ionenfalle gesperrt und die Masse des einsamen Elektrons mit Hilfe von Spektroskopie bestimmt.

Ionenfalle, unter Physikern auch als Penningfalle bekannt

Sven Sturm / MPI für Kernphysik

Die Ionenfalle: Hier wurde das Elektron gefangen und vermessen. Das Proton ist 1.836,15267377 Mal so schwer.

Wie der deutsche Physiker im Fachblatt "Nature" berichtet, ist die neue Messung 13 Mal so genau wie der bisherige Rekordwert. Das Masseverhältnis von Elektron zu Proton ist nun bis auf elf Stellen hinter dem Komma bekannt. "Umgerechnet auf einen Airbus A-380 könnten wir allein durch Wiegen feststellen, ob eine Mücke als blinder Passagier an Bord ist", sagt Sturm.

Suche nach Abweichungen

Was fangen die Physiker nun mit der Mücke im Airbus an? "Mit Hilfe der Masse des Elektrons können wir die Konsistenz des Standardmodells der Teilchenphysik prüfen. Das Modell wurde schon bisher extrem genau geprüft. Man hat aber keine Abweichungen von seinen Vorhersagen gefunden." Das ist gut und schlecht zugleich.

Gut, weil das Modell offenbar die Verhältnisse in der Quantenwelt ausgezeichnet beschreibt. Schlecht, weil es die Verhältnisse eben nur beschreibt, aber nicht grundlegend erklärt. Das zeigt sich auch in der Struktur der Theorie. 18 empirisch zu ermittelnde Größen muss man in den Formelapparat des Standardmodells hineinstecken, damit es die richtigen Ergebnisse ausspuckt.

"Das ist sogar sehr hässlich"

Gerade Physiker argumentieren immer wieder, dass Schönheit und Einfachheit verwandt seien. Als elegant gilt eine Theorie dann, wen sie mit einem Minimum an Voraussetzungen auskommt. 18 Parameter, die sich aus keinem Naturgesetz herleiten lassen - ist das noch schön? "Das ist sogar sehr hässlich", sagt Sturm. "Aber wir haben im Moment nichts Besseres."

Um Abweichungen von den Vorhersagen des Standardmodells auf die Spur zu kommen, gibt es im Prinzip zwei Möglichkeiten. Entweder man führt Messungen bei sehr hohen Energien durch, wie das beispielsweise am großen Teilchenbeschleuniger des CERN gemacht wird.

Oder man führt extrem genaue Messungen bei niedrigen Energien durch. Letzteres plant die Arbeitsgruppe um Sturm. Die Heidelberger Forscher wollen nun die Elektronenmasse dazu benutzen, um das magnetische Moment von hochgeladenen Ionen zu bestimmen. Das Experiment soll zeigen, wo sich die "neue Physik" jenseits des Standardmodells verbirgt. So es sie denn gibt.

Dass das kleine Elektron fast notwendigerweise zu großen Fragen führt, zeigt sich auch in anderer Hinsicht. Die Elektronenmasse eignet sich nämlich dazu, die Feinstrukturkonstante Alpha zu bestimmen. Die dimensionslose Zahl gibt die Stärke der elektromagnetischen Kraft an - Alpha ist ebenfalls eine Naturkonstante, die die Welt im Innersten zusammenhält.

"Seit der Entdeckung ein Mysterium"

Wäre sie kleiner oder größer, bliebe erneut kein Stein auf dem anderen. Und auch hier gibt es keine befriedigende Erklärung für ihr Sosein. Richard Feynman, einer der Architekten des Standardmodells, drückte das einmal so aus: "Seit die Feinstrukturkonstante entdeckt wurde, ist sie ein Mysterium, und alle guten theoretischen Physiker hängen sich diese Zahl an die Wand und zerbrechen sich den Kopf darüber."

Außer Numerologie und Zahlenmystik ist dabei bisher nicht viel herausgekommen. Der Brite Sir Arthur Eddington hat etwa 1938 versucht, Alpha aus der Zahl der im Universum verfügbaren Protonen herzuleiten. Damals deuteten die ersten Messergebnisse darauf hin, dass der Wert von Alpha in der Nähe von 1/136 liegen würde. Und Eddington fand heraus, dass er sogar exakt bei 1/136 liegen müsse.

Dummerweise pendelten sich die die darauffolgenden Messungen bei ungefähr 1/137 ein. Worauf Eddington eine neue Arbeit schrieb. Ihr Ergebnis: Der Wert muss exakt bei 1/137 liegen. Das Satiremagazin "Punch" verlieh ihm daraufhin den Namen "Sir Arthur Adding-One".

Robert Czepel, science.ORF.at

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