Teilchenphysiker erschaffen zum Zweck der Forschung künstliche Atome

Laserpulse lassen Pionen tanzen

In den Labors der modernen Physik werden die elementaren Bestandteile der Materie untersucht. Um dies zu tun, bauen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mitunter künstliche Atome, welche ihnen helfen, die Gesetze der Materie zu verstehen. Ein Forscherteam des Paul Scherrer Instituts (Villigen/AG) nutzt ein gezielt verändertes Helium-Atom, um die genaue Masse und weitere Eigenschaften von Pionen zu bestimmen. Pionen können helfen, genauer zu verstehen, woher Atomkerne ihre Masse erhalten.

This device was used at the Paul Scherrer Institute to produce pionic helium atoms for research purposes
Bild: PSI

1947 entdeckte der britische Physiker Cecil Powell mit Kollegen ein neues Teilchen – das Pion – in der oberen Erdatmosphäre. Das Pion kann entstehen, wenn ein Teilchen der kosmischen Strahlung aus dem Weltall auf die Erdatmosphäre trifft. Drei Jahre nach der Entdeckung des Pions erhielt Powell den Nobelpreis. Der Nachweis dieses Teilchens ist schwierig, da es sehr schnell zerfällt. Seine Lebensdauer beträgt nur wenig mehr als eine Milliardstelsekunde. Pionen zerfallen so schnell, dass die meisten von ihnen sich schon in andere Teilchen umgewandelt haben, wenn sie die Erdoberfläche erreichen. Nur Pionen mit besonders hoher Energie schaffen es bis auf die Erde.

Pionen lassen sich auch künstlich erzeugen. Eine der weltweit führenden Pionen-Quellen befindet sich in der Schweiz am Paul Scherrer Institut (PSI), einer der grossen Forschungseinrichtungen der Eidgenössisch Technischen Hochschule (ETH). Für Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die sich der Erforschung des Pions widmen, ist das PSI in Villigen (AG) ein begehrter Forschungsplatz. Einige von ihnen haben sich vor Jahren in der PiHe-Kollaboration zusammengetan mit dem Ziel, die Masse und weitere Eigenschaften des Pions möglichst genau zu bestimmen. An der PiHe-Kollaboration sind neben dem PSI das Max-Planck-Institut für Quantenoptik und das CERN beteiligt. Vor Kurzem haben die PiHe-Forscher in der Fachzeitschrift ‚Nature‘ ihre neusten Erkenntnisse veröffentlicht.

Masse des Pions 100 mal genauer bestimmen

Das PSI hat eine lange Geschichte bei der Erforschung des Pions. Physikerinnen und Physiker haben hier im Jahr 2016 die Masse des Pions mit der bisher besten Genauigkeit ermittelt, nämlich mit 139.57077 MeV/c2 (bei einer Unsicherheit von nur ± 0.00018 MeV. Das Teilchen ist damit gut 270 mal schwerer als das Elektron und rund siebenmal leichter als das Proton. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der PiHe-Kollaboration geben sich mit dieser Präzision nicht zufrieden. „Wir wollen die Masse 100 mal genauer bestimmen als heute bekannt“, sagt Prof. Dr. Anna Soter, früher technische Koordinatorin des PiHe-Experiments und heute Forscherin an der ETH Zürich.

Wegen der kurzen Lebensdauer der Pionen sind ausgeklügelte Versuchsanordnungen nötig um die Masse der Pionen präzise zu messen. Die Forschenden greifen deshalb zu einem Trick : Sie nutzen dafür Pionen, die in Materie stoppen und in der Umlaufbahn von Atomen eingefangen werden, wo sie ein Elektron ersetzen. Die in diesen sogenannten exotischen Atomen eingefangenen Pionen durchlaufen eine schnelle Zerfallskaskade, während der Röntgenstrahlen abgestrahlt werden, die für die Energie des Teilchens charakteristisch sind. Auf diesem Weg lässt sich die Pionen-Masse bestimmen, allerdings nur bis zu einer bestimmten Genauigkeit. Der Grund: Die Pionen in den exotischen Atomen sind extrem kurzlebig und werden von den Kernen absorbiert, in der Regel in viel kürzeren Zeiten als einer Milliardstelsekunde. Der schnelle Zerfall der Pionen verhindert normalerweise alle weiteren Präzisionsexperimente.

Genügend Zeit für die Pionen-Messung

Hier gelang der PiHe-Kollaboration nun ein grosser Fortschritt: Die Forschenden untersuchten Heliumatome, bei denen das Elektron durch ein Pion ersetzte wurde ("pionisches Helium"). Sie fanden in diesem Atom zum ersten Mal einen unwahrscheinlich langlebigen Zustand und konnten diesen mit Laserspektroskopie untersuchen. Langlebig sind aber nicht alle pionischen Heliumatome, sondern nur jene zwei Prozent, bei denen sich das Pion im sogenannten Rydberg-Zustand befindet. Diesen Zustand kann man sich vorstellen als eine weit vom Atomkern entfernte Kreisbahn. Solche Atome haben eine Lebensdauer von sieben bis acht Milliardstelsekunden. Das ist tausend mal länger als die Lebensdauer von Atomen, bei denen das Pion nicht im Rydberg-Zustand ist. Diese Lebensdauer ist immer noch kurz, aber lange genug, um gewisse Eigenschaften des Pions mit Laserstrahlen messen zu können.

Für die Messung werden die Pionen mittels Laser zu einem speziellen Energiesprung angeregt. „Wir haben erstmals überhaupt die Laser-Anregung eines Mesons (ein Zustand mit einem Quark und einem Antiquark) – in unserem Fall eines Pions – durchgeführt. Es ist ein erster wichtiger Schritt, um die Masse von Pionen genauer bestimmen zu können“, sagt Anna Soter. „Der nächste Schritt wird darin bestehen, die Übergangsenergie der Pionen mit der Resonanzfrequenz unserer Laserstrahlung exakt zu messen. Aus dieser Energie können wir dann die Masse des Pions bestimmen, und zwar mit einer 100-mal höheren Präzision als in bisherigen Experimenten möglich.“

Die bisherigen Ergebnisse des PiHe-Experiments sind also ein Zwischenschritt auf dem Weg zu einer noch präziseren Bestimmung der Masse des Pions. Dieses neue Experiment erfordert ein Material (‘target’) mit geringerer Dichte, um die Kollisionseffekte zu untersuchen, die von anderen Helium-Atomen verursacht werden. Zudem werden auch andere, schmalere Atomübergänge ebenfalls von der PiHe Kollaboration untersucht.

Woraus ergibt sich die Masse des Atomskerns?

Aber warum ist es überhaupt so wichtig, die Masse des Pions so genau zu kennen? Pionen sind die leichtesten Hadronen – das sind gebundene Zustände von Quarks. Während "alltägliche" hadronische Materie, nämlich Protonen und Neutronen, drei Quarks enthalten, enthalten Pionen nur zwei, ein Quark und ein Antiquark. Die Masse von Hadronen aus ihren zusammengesetzten Teilchen zu berechnen ist schwierig: Die Masse der drei Quarks in Protonen und Neutronen machen nur ein Prozent der Masse des Nukleons aus, der Rest stammt aus der schwer fassbaren starken Wechselwirkung. Pionen sind mit lediglich zwei Quarks nicht nur die einfachsten hadronischen Systeme, sie spielen auch eine wichtige Rolle bei der Vermittlung der starken Wechselwirkung in den Atomkernen.

Sollte sich die Rolle der Pionen im Kern der Atome in Zukunft klären lassen, würde sich ein grosser Kreis schliessen: Damit stünde dann fest, dass die Pionen, die vor rund 75 Jahren in der oberen Erdatmosphäre entdeckt wurden, eine zentrale Bedeutung für den Bestand der materiellen Welt haben. Die Pionen würden dann vielleicht eine Antwort liefern auf die 250 Jahre alte Frage, die Doktor Faust in Johann Wolfgang von Goethes gleichnamigem Drama gestellt, aber nicht beantwortet hatte, nämlich „was die Welt im Innersten zusammenhält“.

Autor: Benedikt Vogel

To produce pionic helium, one of the two electrons of the helium atom is replaced by a pion. This artificially created atom can then be examined with a laser beam.
To produce pionic helium, one of the two electrons of the helium atom is replaced by a pion. This artificially created atom can then be examined with a laser beam.Bild: PiHe Collaboration

Kategorien

  • Elementarteilchenphysik