Das Gleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie in unserem Universum ist ein grandioses Rätsel, das die Physiker seit vielen Jahrzehnten nur schwer lösen können. Durch sorgfältiges Studium der winzigen Elektronen haben Wissenschaftler nun einen Weg gefunden, das i zu punktieren.
Der Physiker J. Thomson entdeckte 1897 ein Teilchen, das als Elektron bekannt ist. Seitdem haben Wissenschaftler Probleme, eine Antwort auf eine sehr interessante Frage zu finden: Ist die Form eines Elektrons wirklich eine perfekte Kugel? Nach dem, was wir heute über diese Partikel wissen, ist dies tatsächlich der Fall. In einem Interview mit dem Futurismus hat Mordecai-Mark McLow, Astrophysiker am American Museum of Natural History, es sehr vorsichtig ausgedrückt. Ihm zufolge sind Elektronen "innerhalb des Messfehlers" rund. Leider ist dieses Wissen für Physiker weniger eine Antwort als vielmehr eine ganze Reihe noch komplexerer Fragen.
Sphärizität von Elektronen: hitzige Debatte
Nach dem physikalischen Standardmodell des Universums sollte es nach dem Urknall gleiche Mengen an Materie und Antimaterie enthalten haben. Die Wechselwirkung dieser beiden Substanzen führt zwangsläufig zu einer gegenseitigen Vernichtung durch die sogenannte Photonenexplosion. Nach dieser Logik kann das Universum in seinem gegenwärtigen Zustand einfach nicht existieren - und dennoch sehen wir Beweise für das Gegenteil.
Infolgedessen suchen Wissenschaftler nach Anzeichen einer Asymmetrie im Verhältnis von Materie und Antimaterie, die erklären könnten, warum die erste Substanz um ein Vielfaches größer ist als die zweite. Wenn die Elektronen klumpig und nur ungefähr kugelförmig wären, könnte dies den Physikern den Hinweis geben, den sie brauchen. Aber leider ist ihre Form anscheinend perfekt. Die Forscher von JILA haben jedoch eine neue Methode zur Untersuchung der Form von Elektronen demonstriert, mit deren Hilfe die gewünschten Verzerrungen erkannt werden können.
Das Wesentliche des neuen Ansatzes ist, wie alles Geniale, recht einfach. Wenn das Elektron ein elektrisches Dipolmoment (EDM) hätte, würde dies seine nicht sphärische Form anzeigen. Zuvor untersuchten Wissenschaftler auf der Suche nach EDM Elektronen in "Strahlen" bestimmter Atome und Moleküle. Leider begrenzt die Bewegung des Strahls die Zeit, in der Elektronen gemessen werden können, und möglicherweise haben Beobachtungen aufgrund dieses Faktors bisher keine Anzeichen von EDM gezeigt.
Das JILA-Forschungsteam verfolgte einen anderen Ansatz. Anstatt Elektronen in einem Strom neutraler Teilchen zu untersuchen, isolierten sie die Molekülionen einer anorganischen Verbindung, die als Hafniumfluorid bekannt ist, unter Verwendung eines rotierenden elektrischen Feldes. Anstatt wie im Fall eines Strahls einfach in den Weltraum zu fliegen, begannen die Ionen, kleine Kreise zu beschreiben. Dies ermöglichte es Wissenschaftlern, die Bewegung von Elektronen 0,7 Sekunden lang zu verfolgen - 1000-mal länger als in allen vorherigen Experimenten!
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Geheimnisvolle Phänomene
Die Bestätigung oder Widerlegung der runden Form von Elektronen mag unbedeutend erscheinen, aber die Tatsache, die Eigenschaften von Elektronen zu untersuchen, spielt eine sehr wichtige Rolle. Gegenwärtig herrscht die Überzeugung vor, dass physikalische Gesetze unabhängig von der Bewegung der Zeit unantastbar bleiben. Wenn Wissenschaftler jedoch ein EDM ungleich Null finden, wird dies das Verständnis der grundlegenden Ebenen der Physik verändern und möglicherweise dazu beitragen, das große Rätsel um das Gleichgewicht von Materie und Antimaterie zu lösen, dem wir unsere Existenz verdanken.
Nachdem die Verarbeitbarkeit ihrer Methode erfolgreich nachgewiesen wurde, werden die Wissenschaftler nun damit beginnen, sie zu verbessern. Der leitende Forscher Eric Cornell hat Science bereits mitgeteilt, dass die Forscher glauben, dass sie die Empfindlichkeit und damit die Genauigkeit ihrer Messungen in nur wenigen Jahren um eine Größenordnung erhöhen können.
Andere Gruppen arbeiten ebenfalls an ähnlichen Projekten, um die Sphärizität von Elektronen zu messen. Ein Team aus Harvard und Yale ist beispielsweise zuversichtlich, dass es im nächsten Jahr den Fehler seiner Berechnungen um das 20-fache reduzieren kann. Die Physiker am Imperial College glauben, dass vorhandene Methoden bei richtiger Anwendung 1000-mal genauere Berechnungen ermöglichen, wodurch eine Reihe kontroverser Theorien über das potenzielle EDM von Elektronen beseitigt werden. Und wenn ihre ideale Form letztendlich bewiesen ist, müssen Physiker nach der Antwort auf eines der erstaunlichsten Geheimnisse des Universums suchen.
Wassili Makarow
