Elektronen auf der Waage

Ein Kohlenstoff-12-Kern mit einen Elektron in einer Penningfalle (Sven Sturm/ MPI für Kernphysik)

Elektronen sind extrem klein, leicht und daher schwer zu fassen. Doch sie und im Speziellen ihre Masse bilden eines der Fundamente unseres physikalischen Weltbilds. Denn die Eigenschaften dieses Teilchens beeinflussen das Verhalten aller Atome und Moleküle im Universum. Deutschen Forschern ist es nun gelungen, die Masse des Elektrons 13 Mal genauer zu bestimmen als bisher. Dies macht künftige noch präzisere Tests des physikalischen Standradmodells möglich und könnte sogar bei der Erforschung der Dunklen Materie helfen, wie die Wissenschaftler berichten.

Das Elektron ist einer der Grundbausteine der Materie, denn erst dieses negativ geladene Teilchen komplettiert den positiven Atomkern zu einem Atom. Gleichzeitig gäbe es ohne das Elektron auch keine chemischen Verbindungen. Denn erst die Wechselwirkung der Elektronen hält die im Molekül verbundenen Atome zusammen und verleiht dem Ganzen seine typischen Eigenschaften. Aber auch jenseits der Chemie sind die Elektronen unverzichtbar. Ohne sie gäbe es keinen Strom, keine Metalle und auch keinen Computer, auf dem Sie diese Meldung lesen. Das leichteste unter den elektrisch geladenen Elementarteilchen bildet zudem eine Grundlage des Standardmodells der Physik. Die Masse des Elektrons ist eine der möglicherweise fundamentalen Konstanten dieses Modells und beeinflusst zahlreiche andere Parameter.

Wie wiegt man ein Elementarteilchen?

Forscher versuchen schon seit Jahrzehnten, die Masse des Elektrons möglichst genau einzugrenzen, stoßen dabei aber auf einige Schwierigkeiten. Denn seine Masse ist so gering, dass sie mit keiner Waage der Welt direkt messbar wäre. Stattdessen muss man auf indirekte Methoden zurückgreifen. Bisher erfolgten diese Messungen meist in einer sogenannten Penningfalle. Dabei wird das Elektron in einem starken Magnetfeld eingefangen und in eine kreisförmige Bewegung versetzt. "Bei einem Formel-1-Rennen auf einem Rundkurs können Zuschauer mitzählen, wie oft ein Rennwagen vorbei rast, und mit Hilfe der Streckenlänge daraus seine Geschwindigkeit abschätzen", erklärt Projektleiter Sven Sturm vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg. So ähnlich funktioniert das auch in der Penningfalle, wobei die Physiker zusätzlich das winzige Kreiseln des Elektronenspins im Magnetfeld mit erfassen.

Die Merkmale dieser Bewegungen, die sogenannte Cyclotron-Frequenz, lassen sich messen und mit der von geladenen Teilchen mit bekannter Masse vergleichen. Das Problem dabei: Alle sinnvoll als Referenzgewichte einsetzbaren Elementarteilchen sind viel schwerer als das Elektron. "Das Proton oder das Neutron zum Beispiel ist zweitausend Mal schwerer", erklärt Klaus Blaum, Direktor am Max-Planck-Institut für Kernphysik. "Das wäre als wenn man ein Kaninchen mit einem Elefanten als Gegengewicht wiegen wollte." Mangels Alternative beruht aber auch der bisherige Referenz-Wert für die Elektronenmasse auf diesen Messungen. Die relative Unsicherheit dieses Werts liegt bei 4 x 10 hoch -10.

Kohlenstoff-Kern als Messhelfer

Sturm und seine Kollegen haben nun die Messung mit der Penningfalle abgewandelt und so die Messgenauigkeit noch weiter erhöht. Statt die Cyclotron-Frequenz des Elektrons mit dem eines anderen geladenen Teilchens zu vergleichen, schossen sie einem Kohlenstoffatom fünf seiner sechs Elektronen weg und maßen Kern und Elektron gemeinsam. Der Vorteil dabei: Die Masse des Kohlenstoffkerns ist genau bekannt und erlaubt es in Kombination mit dem Elektron, dessen Masse genauer zu bestimmen als zuvor. Die extrem große Empfindlichkeit veranschaulicht Projektleiter Sturm so: „Umgerechnet auf einen Airbus A-380 könnten wir allein durch Wiegen feststellen, ob eine Mücke als blinder Passagier an Bord ist."

Mit diesen Messungen kamen die Forscher auf eine Masse des Elektrons von 0,000548579909067 atomaren Masseneinheiten. Die absolute Elektronenmasse ist so gering, dass sie üblicherweise nicht in der Masseneinheit Gramm oder einem Bruchteil davon angegeben wird, sondern in atomaren Masseneinheiten. Eine atomare Masseneinheit ist definiert als der zwölfte Teil eines Kohlenstoff-12-Atoms. Die relative Genauigkeit für den neuen Wert liegt bei 3 x 10 hoch -11. Das ist 13 Mal genauer als bisher möglich.

"Dieses Ergebnis bereitet die Bühne für zukünftige Ultra-Hochpräzisions-Tests des Standardmodells bei niedrigen Energien", konstatieren die Forscher. So könnte sich beispielsweise die Feinstrukturkonstante Alpha besser bestimmen lassen – sie gibt die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung wieder. "Sie beschreibt im Grunde alles, was wir sehen", erklärt Blaum. "Denn sie spielt in der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie eine zentrale Rolle." Auch die für die Berechnung von Atomspektren wichtige Rydberg-Konstante wird durch die Elektronenmasse mitdefiniert. Die genauere Kenntnis dieser Konstanten eröffnet daher neue Wege, um mehr über die fundamentalen Wechselwirkungen der Materie zu erfahren.

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