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Präzisionsmessung : Leichtgewicht auf der Waage

Mit klassischen Wägeverfahren lässt sich die Elektronenmasse freilich nicht bestimmen. Bild: dpa

Um die Masse des Elektrons möglichst präzise zu ermitteln, haben Physiker aus Heidelberg und Mainz alle Register ihrer Experimentierkunst gezogen. Das Ergebnis ist verblüffend und könnte zu einem Prüfstein für Naturkonstanten und theoretische Modelle werden.

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          Präzisionsmessungen spielen in der Physik eine zentrale Rolle. Denn nur bei größter Genauigkeit lassen sich geringste Abweichungen von theoretischen Vorhersagen erkennen, die mitunter Anzeichen von noch unbekannten Effekten sein können. Eine Reihe von Forschergruppen hat es sich beispielsweise zur Aufgabe gemacht, die Masse des Elektrons möglichst genaue zu vermessen.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Nun verkünden Experimentalphysiker vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg und von der Universität Mainz einen durchschlagenden Erfolg. Sie haben den Wert der Elektronenmasse um einen Faktor Dreizehn genauer bestimmt, als der anerkannte Literaturwert angibt. Dank des Ergebnisses ist es möglich, den Wert von Naturkonstanten und etablierten physikalischen Theorien zu überprüfen, in denen die Elektronenmasse steckt.

          Geeignetes Gegengewicht gesucht

          Will man ein Objekt wiegen, benötigt man üblicherweise eine Referenzmasse zum Vergleich. Bei einer Balkenwaage ist das ein bekanntes Gegengewicht. Im Fall von Elektronen steht man jedoch vor einem Dilemma. Denn die Masse dieser Elementarteilchen ist äußerst klein. Sie ist sogar deutlich kleiner als die Masse aller bekannten Teilchen und Atome, die als Referenz in Frage kommen würden. (Protonen, die Bausteine der Atomkerne, beispielsweise sind rund 2000 Mal so schwer.) Bereits geringste Störungen könnten deshalb eine Massenmessung stören und verfälschen.

          Zylindrische Ionenfalle vom Penningtyp

          Die Wissenschaftler um Klaus Blaum und Sven Sturm griffen deshalb zu einem Trick. Sie verwendeten als Referenzmasse ein Atom des Isotops Kohlenstoff-12. Dieses ist für diese Aufgabe prädestiniert, da es die atomare Masseneinheit definiert. Die Masse des Isotops ist per Definition festgelegt. Dadurch lassen sich systematische Fehler gering halten. Um nicht Elektron und Referenzatom getrennt vermessen zu müssen, verwendeten die Physiker um Blaum ein Kohlenstoffatom, dem man alle Elektronen bis auf ein einziges geraubt hatte. Dadurch konnten sie nicht zuletzt den experimentellen Aufwand verringern und die Genauigkeit mächtig hochschrauben.

          Hochgeladenes Atom in der Schwebe

          Als Waage nutzen die Physiker eine Penningfalle, in der das fünffachgeladene Kohlenstoffion, das man stark abgekühlt hatte, mit Hilfe sich überlagernder elektrischer und magnetischer Felder in der Schwebe gehalten wurde. Das Magnetfeld zwang das Ion auf eine besondere Kreisbahn, die von einer schnellen Taumelbewegung des Elektrons - bewirkt durch den Elektronenspin - überlagert war.

          Die  periodischen  Bewegungen (rechts)  eines in der Penningfalle (rechts) isolierten Ions sind äußerst kompliziert.  Aus den Oszillationsfrequenzen hat man jetzt die Masse des Elektrons äußerst präzise ermitteln.

          Die genaue Analyse dieser periodischen Bewegungen und die präzise Bestimmung der zugehörigen Umlauffrequenzen lieferten schließlich die Masse des an den Kohlenstoffkern gebundene Elektrons, wie Blaum und seine Kollegen in der Zeitschrift „Nature“ berichten. Die Elektronenmasse beträgt danach 0,000548579909067 atomare Masseneinheiten oder 9,1094 x 10(hoch)-28 Gramm. Die dabei erzielte Genauigkeit beläuft sich auf nur wenige Milliardstel Prozent und übertrifft frühere Massenmessungen um Größenordnungen.

          Dass man die  Masse des Elektrons jetzt auf elf Nachkommastellen  genau kennen, ist wichtig, weil die Elementarteilchen fast überall  in der Physik eine zentrale Rolle spielen.  So fließt die Elektronenmasse in den Wert einiger   Naturkonstanten - etwa der Feinstrukturkonstanten -  ein.  Diese  bestimmt die Form und die Eigenschaften von Atomen und Molekülen.  Die Masse des Elektrons ist auch eine maßgebliche Größe im  sogenannten Standardmodell der Physik. Obwohl dieses Modell, das alle bekannten Elementarteilchen und drei der vier Grundkräfte der Physik beschreibt,  so gut funktioniert, ist  klar, dass seine Gültigkeit Grenzen hat. Wo diese liegen, ist  offen.

          Je präziser die Elektronenmasse bekannt ist, desto eher könnte man Abweichungen aufspüren, die  auf neue physikalische Effekte hindeuten.

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