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Naturkonstanten: immer noch konstant

Atomuhren zeigen die Stabilität des Massenverhältnisses von Proton und Elektron

PTB-News 2.2015
10.06.2015
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Grundlagenforschung

Sind Naturkonstanten wirklich konstant? Neue Untersuchungen in der PTB zeigen: Eine wichtige Naturkonstante, nämlich das Massenverhältnis von Proton zu Elektron, kann sich selbst über das Alter unseres Sonnensystems von etwa 5 Milliarden Jahren hochgerechnet nur maximal um einen millionstel Teil verändert haben. Bisher galt die allenfalls noch mögliche Änderung als doppelt so hoch. PTB-Physiker verglichen dazu über 7 Jahre hinweg Caesium- und Ytterbium-Atomuhren miteinander.

Uhrenvergleiche zwischen Atomuhren mit Caesium und Ytterbium bestätigen die Konstanz einer Naturkonstante: des Massenverhältnisses von Proton und Elektron. (Abb.: PTB)

Das Universum expandiert. Nach dieser Erkenntnis in den 1930er Jahren begannen Physiker darüber zu spekulieren, ob in einer solch dynamischen Welt überhaupt konstante Größen bestehen können. Womöglich unterliegen auch die sogenannten Naturkonstanten zeitlichen Änderungen, aus denen man Informationen über die Struktur und die Entwicklung des Universums erhalten könnte? Seitdem haben Astro- und Geophysiker nach Hinweisen auf Veränderungen von Naturkonstanten über kosmologische Zeiträume von Milliarden von Jahren gesucht. Das Ergebnis waren teilweise widersprüchliche Schlussfolgerungen. In den letzten Jahren haben Laborexperimente mit Atomuhren eine Genauigkeit erreicht, die bereits mit Messungen über einen Zeitraum von wenigen Jahren einen Beitrag zu dieser Frage leisten können. Zwei Atomuhren, die auf unterschiedlichen Elementen beruhen, würden bei einer Änderung bestimmter Naturkonstanten im Laufe der Zeit auf eine vorhersagbare Weise voneinander abweichen. Mit dieser Methode wurde an der PTB durch Vergleiche zwischen einer optischen Uhr mit einem gespeicherten Ytterbium-Ion und Caesium-Atomuhren und unter Berücksichtigung der Ergebnisse anderer Gruppen die Konstanz einer wichtigen Größe überprüft: des Massenverhältnisses von Proton und Elektron.

Ein Proton ist etwa 1836-mal schwerer als ein Elektron und unterliegt zusätzlich zur elektromagnetischen Kraft auch der sogenannten starken Kraft, die für die Struktur und den Zusammenhalt der Atomkerne verantwortlich ist. Bei veränderlichen Naturkonstanten denkt man insbesondere an Änderungen in der relativen Stärke dieser Kräfte, und dies hätte wiederum einen Einfluss auf die Massen der beteiligten Teilchen.

Die Masse des Elektrons bestimmt die Frequenz der optischen Atomuhren, die Protonenmasse erscheint in der Frequenz der Caesium-Uhr (über die Eigenschaften des Atomkerns). Bei der Entwicklung der Atomuhren wurden die Caesium-Uhr und die Ytterbium-Uhr an der PTB in den letzten Jahren immer wieder – und mit zunehmender Genauigkeit – verglichen. Zurzeit gehören sie zu den genauesten Atomuhren im Mikrowellen- bzw. im optischen Frequenzbereich. Ähnliche Experimente wurden parallel auch am britischen Metrologieinstitut NPL durchgeführt. Aus diesen Daten konnte jetzt abgeleitet werden, dass das Massenverhältnis von Proton und Elektron keine nachweisbare Veränderung zeigt, bis auf eine relative Unsicherheit von nur wenigen 10–16 pro Jahr. Damit wäre selbst über das Alter unseres Sonnensystems von etwa 5 Milliarden Jahren extrapoliert nur eine Änderung dieser Naturkonstante um einen millionstel Teil möglich, und sie kann weiterhin als universelle und stabile Größe betrachtet werden.

Ansprechpartner

Ekkehard Peik
Fachbereich 4.4 Zeit und Frequenz
Telefon: (0531) 592-4400,
E-Mail: ekkehard.peik(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

N. Huntemann, B. Lipphardt, Chr. Tamm, V. Gerginov, S. Weyers, E. Peik: Improved limit on a temporal variation of mp/me from comparisons of Yb+ and Cs atomic clocks. Phys. Rev. Lett. 113, 210802 (2014)