Forschende am Jefferson Lab haben einen neuen Maßstab in der Elektronenstrahl-Polarimetrie gesetzt. Damit übertrafen sie einen fast drei Jahrzehnte alten Rekord. Ihre Errungenschaft ermöglicht detailliertere Untersuchungen der grundlegenden Aspekte der Materie und der Physik als Ganzes.

Physik der kleinsten Teilchen revolutioniert

Stell dir das Standardmodell der Teilchenphysik wie eine Anleitung vor, die erklärt, wie die Welt auf allerkleinsten Ebenen funktioniert. Es beschreibt die Bausteine des Universums – wie Elektronen und Quarks – und die Kräfte, die zwischen ihnen wirken. Doch obwohl dieses Modell unglaublich erfolgreich war, wissen wir, dass es nicht die ganze Geschichte erzählt. Es gibt Phänomene im Universum, wie dunkle Materie, die das Standardmodell nicht erklären kann.

Die Studie konzentrierte sich auf die Polarisation von Elektronenstrahlen, eine Eigenschaft, die die Richtung des Elektronenspins angibt. Präzision ist bei der Messung dieses Aspekts entscheidend, wenn man subatomaren Bereich erforscht. Durch den Einsatz fortgeschrittener Compton-Polarimetrie maßen die Forschenden die Polarisation des Elektronenstrahls mit beispielloser Genauigkeit.

Vereinfacht gesagt: Die Polarisation ist eine Eigenschaft von Teilchen, in diesem Fall von Elektronen, die etwas darüber aussagt, in welche Richtung sie „drehen“. Diese Präzision in der Messung ist entscheidend, weil sie uns helfen kann, noch genauere Experimente durchzuführen.

Präzision setzt neue Maßstäbe

Wenn wir das Verhalten von Elektronen und anderen Teilchen mit solcher Genauigkeit messen können, können wir unsere aktuellen Theorien – einschließlich des Standardmodells – rigoros testen. Wir suchen nach jeder noch so kleinen Abweichung zwischen unseren Vorhersagen und den tatsächlichen Messergebnissen. Solche Abweichungen könnten Hinweise auf neue Physik sein, die über das hinausgeht, was wir bisher verstehen.

Während des Calcium Radius Experiment (CREX) und Lead Radius Experiment (PREX-II) erforschten die Wissenschaftler*innen die Neutronenhaut von Atomen. Diese Experimente lieferten Einblicke in die Struktur von Atomkernen, verbesserten unser Verständnis von Neutronensternen und bestätigten theoretische Modelle mit bemerkenswerter Präzision.

Compton-Polarimetrie, die die Wechselwirkung zwischen Laserlicht und dem Elektronenstrahl beinhaltet, ermöglichte den Durchbruch. Sie erlaubte es dem Team, die Polarisation des Strahls mit einer Präzision von 0,36 Prozent zu messen. Zum Vergleich: Der bisherige Bestwert lag bei 0,5 Prozent.

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Forschung sieht nun schärfer

Es ist also, als hätten wir eine viel schärfere Brille bekommen, um in ein riesiges, komplexes Puzzle zu schauen. Früher konnten wir vielleicht nur die Umrisse sehen, aber jetzt können wir die feinen Details erkennen. Diese Brille ermöglicht es uns, Fragen zu stellen und zu erforschen, die vorher außerhalb unserer Reichweite lagen. Es geht nicht nur darum, das zu bestätigen, was wir bereits wissen, sondern auch darum, die Tür zu neuen Entdeckungen und Erkenntnissen zu öffnen, die unser Verständnis des Universums grundlegend verändern könnten.

„Im Grunde genommen standen die Sterne so, wie wir sie brauchten“, zitierte Phys.org Mitautorin Allison Zec, die im Team des Physikprofessors Kent Paschke von der University of Virginia gearbeitet hat und jetzt als Postdoktorandin an der University of New Hampshire tätig ist. Das sei aber nicht ohne harte Arbeit möglich gewesen, „um zu beweisen, dass wir das Ziel erreichen konnten“, so Zec weiter. „Es brauchte ein bisschen Glück, ein bisschen Fleiß, eine Menge Aufmerksamkeit, sorgfältige Überlegungen und ein bisschen Kreativität.“

Die Ergebnisse haben bedeutende Auswirkungen für zukünftige Experimente, einschließlich MOLLER, das darauf abzielt, die schwache Ladung eines Elektrons zu messen. Dieses Experiment und ähnliche sind essenziell für die Überprüfung des Standardmodells der Teilchenphysik. Durch die Bereitstellung eines präziseren Messinstruments eröffnet die Arbeit des Teams neue Wege zur Erforschung von Phänomenen jenseits des Standardmodells.

Quellen: „Ultrahigh-precision Compton polarimetry at 2 GeV“ (Physical Review C, 2024); Phys.org

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