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Teilchenphysik: Das Elektron ist praktisch kugelförmig

Spule
Welche Form hat das Elektron? Die bislang präziseste Messung gelang nun britischen Forschern um Edward Hinds vom Imperial College in London: Demnach deutet vieles daraufhin, dass das Elementarteilchen kugelförmig ist – ein für Physiker alles andere als unwesentliches Detail. Denn ein kugelrundes Elektron ist womöglich schwer vereinbar mit neuen Elementarteilchen, nach denen aktuell an großen Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider am europäischen Kernforschungszentrum bei Genf gesucht wird. Nach Theorien, die diese Teilchen vorhersagen, sollte das Elektron stattdessen leicht oval ausfallen, da seine Ladung unregelmäßig verteilt sei. Außerdem hängt die Form des Elektrons mit der Frage zusammen, warum im Universum so wenig Antimaterie zu finden ist. Sollte der Grund dafür eine bislang unentdeckte Kraft sein, welche die Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie bricht, dann müsste sich das ebenfalls in einer ovalen Form des Elektrons widerspiegeln.

Versuchsaufbau zum Messen der Elektronenform | Dhiren Kara vom Imperial College London justiert das Lasersystem, mit dem er und seine Kollegen das Dipolmoment des Elektrons bestimmten.
Entscheidend für die Beantwortung dieser Fragen ist das elektrische Dipolmoment des Elektrons: Wenn das Elektron nicht kugelförmig ist, dann würde sich sein Dipolmoment von Null unterscheiden. Das Elektron ähnelte in diesem Fall einer Batterie mit einem Plus- und einem Minuspol. Ein von außen angelegtes elektrisches Feld müsste folglich das Elektron drehen, so dass sein Dipolmoment stets in die Richtung des Felds zeigt.

Diesen Effekt haben die Forscher genutzt, um das Dipolmoment zu messen. Sie nahmen allerdings nicht das Dipolmoment freier Elektronen unter die Lupe, sondern das von ungepaarten Valenzelektronen von Ytterbiummonofluorid (YbF) – die bislang genaueste Messung wurde an Thalliumatomen durchgeführt. Weil die durch das mutmaßliche Dipolmoment des Elektrons hervorgerufene Wechselwirkung des Moleküls mit einem elektrischen Feld deutlich größer ist als beim Thallium, konnten die Physiker die Präzision deutlich verbessern. Dazu zwangen sie per Radiopuls zunächst den Elektronenspin der Moleküle in die gleiche Richtung und schickten sie anschließend durch die Lücke zweier Elektroden. Am Ende dieses Spalts detektierten sie, bei wie vielen Molekülen sich der Spin wieder umgekehrt hatte.

Übertragen auf menschliche Größenmaßstäbe müsste man das Elektron auf die Größe unseres Sonnensystems aufblasen: In diesem Fall betrage die Abweichung von der optimalen Kugelform nur eine knappe Haaresbreite, so Jony Hudson vom Imperial College, der ebenfalls an der Untersuchung beteiligt war. Das Ergebnis lässt allerdings wegen zufälliger und systematischer Messfehler noch einen winzigen Spielraum für ein nicht ganz rundes Elektron. Für theoretische Physiker gibt es somit jedoch eine Grenze für die Größe des Dipolmoments des Elektrons, die sie zukünftig in ihren Theorien berücksichtigen müssen. Die Londoner Forscher wollen nun die Präzision ihrer Messapparatur weiter verbessern. (cm)

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  • Quellen
Nature 10.1038/nature10104, 2011

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