Posted in: Physik, Technik 20. Februar 2014 00:01 Weiter lesen →

Elektron mit höchster Präzision gewogen

Foto zeigt dünnes Messingrohr, mit ringförmigen Elektroden gespickt, aus denen feine Drähte hervorragen Deutschen Physikern ist es gelungen, das Elektron so präzise wie nie zuvor zu wiegen. Indem sie beinahe nackte Atome mit nur einem einzigen Elektron in einer Vakuumröhre hin- und herfliegen ließen und ihre Bewegung vermaßen, konnten die Forscher die Masse des Elektrons 13-mal präziser bestimmen als bislang möglich.

Foto: Sven Sturm

„Dieses Resultat legt die Basis für künftige Experimente zu den Grundlagen der Physik und für Präzisionstests des Standardmodells“, schreiben die Forscher um Sven Sturm vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik im Magazin „Nature“. Im Standardmodell der Physik spiele das Elektron eine wichtige Rolle, da es die Struktur und die Eigenschaften von Atomen und Molekülen präge. Außerdem müsse man seine Masse kennen, um eine ganze Reihe weiterer Naturkonstanten zu bestimmen.

Elektronen bilden die Hülle eines Atoms und sind um den Faktor 1.800 leichter als Proton und Neutron im Atomkern. Um das Fliegengewicht dennoch in den Griff zu bekommen, nutzten Sturm und seine Kollegen aus Heidelberg, Darmstadt und Mainz eine Penning-Falle. Dabei handelt es sich letztlich um ein luftleeres Rohr, in dessen Innern ein sehr gleichmäßiges Magnetfeld verläuft. In dieses Rohr eingeschossen, kreisen elektrisch geladene Teilchen – je nach ihrer Masse und Ladung – unterschiedlich schnell um die Magnetfeldlinien. Elektrische Felder sorgen zudem dafür, dass sie das Rohr nicht verlassen und auch nicht mit dessen Wandung kollidieren. Auf diese Weise können die Teilchen in aller Ruhe studiert werden.

Sturm und Kollegen schossen einzelne Kohlenstoffatome, die nur noch eins statt der üblichen sechs Elektronen besaßen, in die Vakuumröhre ein. Dann ermittelten sie, wie schnell diese Ionen zwischen den Enden der Röhre hin- und herpendelten und wie schnell sie gleichzeitig auf einer Spiralbahn um die Magnetfeldlinien im Innern kreisten.

Außerdem bestimmten die Physiker, wie häufig das einsame Elektron regelrecht umkippte, sodass sein Spin mal entgegengesetzt und mal parallel zum Magnetfeld in der Röhre ausgerichtet war. Anhand dieser Frequenzen und weiterer Berechnungen konnten sie den Wert für die Elektronenmasse, gemessen in Atomaren Masseneinheiten, mit einer Präzision von 30 Billionstel ermitteln – zu 0.000548579909067(14) u.

Forschung: Sven Sturm, Florian Köhler, Jacek Zatorski, Anke Wagner und Klaus Blaum, Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg, und GSI – Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt; und andere

Online-Veröffentlichung Nature, 19. Februar 2014, DOI 10.1038/nature13026

WWW:
Gespeicherte und gekühlte Ionen, Max-Planck-Institut für Kernphysik
The Penning Trap
Fundamental Physical Constants
Electron Mass in u
Atomare Masseneinheit

Lesen Sie dazu im Scienceticker:
QED: Robuste Quantentheorie
Neue Studie bestätigt Naturkonstante

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