Forschungsthemen

Unsere Gruppe leitet die internationale BASE-Kollaboration am CERN, hier verwenden wir fortschrittliche Penning-Fallen-Systeme, um die grundlegenden Eigenschaften von Protonen und Antiprotonen mit ultrahoher Präzision zu vergleichen. Diese Experimente sind inspiriert von der Tatsache, dass ein universelles Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie zu existieren scheint, dessen Ursprung noch verstanden werden muss. Durch die Kombination der besten fundamentalen physikalischen Theorien, dem Standardmodell (SM) der Teilchenphysik und dem Lambda-CDM-Modell, würden wir erwarten, dass beim Urknall gleiche Mengen an Materie und Antimaterie entstanden sind, die sich anschließend vernichtet haben sollten, um ein rein strahlendes Universum zu bilden. Andererseits beobachten wir ein materiedominiertes Universum mit einer Baryonen-zu-Photonen-Dichte, die um mehr als acht Größenordnungen kleiner ist als die Theorie vorhersagt!

In unseren Experimenten tragen wir zum Verständnis dieses Rätsels bei und vergleichen die grundlegenden Eigenschaften von Protonen und Antiprotonen in Multi-Penningfallen-Systemen. Innerhalb BASE ist es uns gelungen eine Reservoir-Penning-Fallen-Technik zu entwickeln, die es uns erlaubt, Antiprotonen jahrelang in einem Hintergrund-Vakuum besser als 10^-18 mbar zu speichern. Diese Methode ermöglicht es uns, das ganze Jahr über Präzisionsexperimente mit Antiprotonen durchzuführen, unabhängig von Beschleunigerzyklen.

Darüber hinaus haben wir multi-funktionale magnetische Abschirmungsmethoden und hochempfindliche Detektionstechniken entwickelt, die es uns ermöglichen, einzelne Antiprotonen auf makroskopischen Zeitskalen zerstörungsfrei zu beobachten, um ihre Eigenschaften mit höchstmöglicher Präzision zu vermessen. Essentiell ist, dass es uns gelungen ist ultra-rauscharme Penning-Fallen mit ultra-starken magnetischen Gradienten zu entwickeln, die es uns ermöglichen, zerstörungsfreie Kernspinresonanzspektroskopie mit einzelnen Antiteilchenspins durchzuführen, einem Schlüsselbestandteil, um magnetische Momente mit herausragender Genauigkeit zu messen.

Unter Verwendung dieser Techniken haben wir eine neuartige Zwei-Teilchen/Drei-Fallen-Methode angewendet und das magnetische Moment des Antiprotons mit einer Teilgenauigkeit von neun signifikanten Stellen gemessen. Zusammen mit unseren Messungen des magnetischen Moments von Protonen verbessert dies die bisher besten Tests der Materie/Antimaterie-Asymmetrie in diesem Sektor um mehr als den Faktor 3000. Darüber hinaus haben wir die Proton/Antiproton-Ladungs-zu-Masse-Verhältnisse mit einer Teilgenauigkeit von 16 Teilen in einer Billion bestimmt, was den derzeit besten Test der CPT Invarianz im Baryonensektor darstellt. Diese Messung stellt auch den ersten differentiellen Test des schwachen Äquivalenzprinzips für baryonische Antimaterie dar. Falls das schwache Äquivalenzprinzip für Antimaterie verletzt wäre, würden Antiprotonenuhren im Vergleich zu Protonenuhren eine andere gravitative Rotverschiebung erfahren. In unseren Experimenten haben über ein Jahr lang Protonen-/Antiprotonen-Zyklotronuhren verglichen, während sich die Erde auf ihrer elliptischen Umlaufbahn um die Sonne bewegt, und dabei das Gravitationspotential im Labor verändert. Diese Messung legt die bisher strengsten Grenzwerte für die WEP-Verletzung für Antimaterie fest.

Die Auflösung von Präzisionsexperimenten an Antimateriesystemen wird letztlich durch technisches (magnetisches) Rauschen in der Umgebung der Beschleunigerstrukturen des CERN begrenzt. Daher entwickeln wir für Experimente der nächsten Generation die transportable Antiprotonenfalle BASE-STEP (Symmetry Tests in Experiments with Portable antiprotons), mit dem Ziel, Antiteilchen in ein ruhiges Präzisions-Labor zu bringen. Das ultimative Ziel dieser Initiative unter der Leitung von Dr. Christian Smorra (ERC Starting Grant Project Leader) ist es, Antiprotonen über mehrere Labors in Europa zu verteilen, um ein Netzwerk von Präzisions-Spektroskopie-Experimenten zu bilden, die synchronisierte Messungen and Antimaterie durchführen.

Astrophysikalische Beobachtungen deuten darauf hin, dass die Himmelskörper und Sterne (baryonische Materie), die wir mit unseren elektromagnetischen Sinnen wahrnehmen können, nur etwa 5 % dessen ausmachen, was tatsächlich existiert, 68 % bestehen aus einer mysteriösen Substanz namens „dunkle Energie“ und die restlichen 27 % sind aus „dunkler Materie“. Obwohl unser Verständnis des Universums klare Beweise für die Existenz dunkler Materie liefert, wurden ihre mikroskopischen Eigenschaften bisher nicht beobachtet und quantifiziert. Axionen und axion-ähnliche Teilchen, die durch mehrere über das Standardmodell hinausgehende Theorien motiviert sind, sind Kandidaten für dunkle Materie. Diese leichten Teilchen wandeln sich in starken Magnetfeldern in Standard-Modell-Photonen um, die möglicherweise mit den ultraempfindlichen supraleitenden Teilchendetektoren, die in Penning-Fallen-Experimenten verwendet werden, nachgewiesen werden können. Basierend auf unserer hochempfindlichen Detektortechnologie bauen wir derzeit das Axion-Haloskop BASE CDM auf, um nach Axion-ähnlichen Teilchen im Massenbereich zwischen Nano-eV und Mikro-eV zu suchen.