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StartseiteForschung aktuellElektron auf dem Prüfstand21.07.2006

Elektron auf dem Prüfstand

Forscher arbeiten am Nachweis zweier Ladungen

Teilchenphysik. In der Welt der Elementarteilchen gibt es eines, das besonders simpel zu sein scheint: das Elektron. Es hat eine negative elektrische Ladung und lässt sich vorstellen wie eine kleine geladene Kugel. Lange schon steht es jedoch im Verdacht, noch eine zweite, positive Ladung zu besitzen – und darum eher die Form einer Birne zu haben.

Von Björn Schwentker

Atome bestehen aus Kernteilchen und Elektronen. (Rice University)
Atome bestehen aus Kernteilchen und Elektronen. (Rice University)
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Winzig klein, kugelrund und elektrisch negativ geladen - so einfach kann man sich ein Elektron vorstellen. Theoretische Physiker glauben allerdings, dass das Teilchen noch eine zweite, positive elektrische Ladung hat, also ein so genannter elektrischer Dipol wäre. Dann wäre das Elektron nicht mehr rund, sondern hätte eher die Form einer Birne. Denn die positive Ladung würde die Kugel verformen. Allerdings wäre der Effekt winzig. Bis heute ist es nicht gelungen, ihn zu messen. Bisher verwendeten die Physiker für ihre Versuche elektrisch ungeladene Atome. Schießt man sie zwischen einer positiv und einer negativ geladenen Metallplatte hindurch, sollten sich die Elektronen darin alle gleich ausrichten, falls sie einen elektrischen Dipol besitzen. Denn die positiven Dipol-Ladungen der Elektronen sollten sich zur negativ geladenen Platte hin drehen. Doch solch ein Effekt ließ sich bisher nie beobachten. Trotzdem könnte es ihn geben, sagt Atomphysiker Ed Hinds vom Imperial College in London:

"In unserer Gruppe hatten wir die neue Idee, das gleiche Experiment zu machen, nur mit Elektronen, die in einem Molekül sind. Wir schießen also einen Strahl von Molekülen durch eine Vakuumkammer. Das sind Moleküle aus zwei Atomen."

Diese Atome, das sind Ytterbium und Fluor, ergeben zusammen ein so genanntes polares Molekül, in dem sich die Elektronen quasi an einer Stelle ansammeln. Das führt dazu, dass die Elektronen die elektrische Ladung der Metallplatten, zwischen denen sie im Vakuumrohr hindurch fliegen, um ein Vielfaches verstärkt spüren. Erst seit kurzem ist es möglich, solche polaren Moleküle im Labor verlässlich herzustellen. Doch jetzt ermöglichen sie eine neue Generation von Messapparaturen, die um einen Faktor Tausend genauer sind als bisher, sagt Physiker Ed Hinds:

"Das ist ein entscheidender Sprung. Die meisten Theoretiker sagen voraus, dass wir den Dipol finden, wenn wir nur ein kleines bisschen besser werden. Und wenn wir tausend Mal besser werden, werden wir sicher etwas sehen."

Die Theoretiker haben allerdings guten Grund, sich das birnenförmige Elektron zu wünschen. Viele von ihnen arbeiten an neuen Theorien der Elementarteilchen, die teils weit über das bisherige Standard-Modell hinausgehen. Solche Visionen wie etwa das "super-symmetrische Teilchen-Modell" oder die "String"-Theorien könnten zwar ein paar hartnäckige Ungereimtheiten des Standardmodells beseitigen. Doch gleichzeitig sagen sie voraus, dass das Elektron tatsächlich zwei Ladungen hat. Ließe sich auch mit den verbesserten Messungen weiterhin kein elektrischer Dipol nachweisen, stelle das die neuen Theorieansätze völlig in Frage, sagt Ed Hinds:

"Aus einer abstrakten Perspektive würde ich sagen, dass es wissenschaftlich extrem wichtig wäre, wenn wir mit unserer tausend Mal besseren Genauigkeit immer noch nichts messen würden. Es würde uns viel darüber sagen, wie wenig wir über Teilchenphysik wissen. Es wäre schon erstaunlich, weiter nichts zu sehen."

Für die Theoretiker wäre es natürlich schmerzlich, viele ihrer inzwischen lieb gewonnenen Spekulationen aufgeben zu müssen. Ein Erkenntnisfortschritt wäre das jedoch allemal. Doch wenn er ehrlich ist, sähe auch Ed Hinds am Ende seiner Bemühungen lieber eine neue Physik - und nicht die alten Theorien. Das geht auch David DeMille von der US-amerikanischen Universität in Yale so. Er nutzt ebenfalls die neue Methode der polaren Moleküle, um die wahre Form des Elektrons herauszufinden. Der Amerikaner lässt keinen Zweifel daran, was ihn täglich wieder ins Labor treibt: der Glaube an das nie Gesehene.

"Diese Experimente machen zwar viel Spaß, sind aber auch wahnsinnig anstrengend. Sie sind sehr anspruchsvoll. Und ich bin nicht besonders stark motiviert, etwas so Anstrengendes zu tun, wenn es nicht die sehr klare Möglichkeit gibt, eine Entdeckung zu machen. Und ich glaube fest, dass es diese Möglichkeit gibt."

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