Lehrstuhl Prof. Ulmer/Dr. Smorra – Quantentechnologien und Fundamentale Symmetrien

Warum enthält unser Universum mehr Materie als Antimaterie? 

In der BASE-Kollaboration, die von unserem Labor am Antiprotonen-Entschleuniger (Antiproton Decelerator) und der ELENA-Anlage in der Antimateriefabrik des CERN geleitet wird, erforschen wir dieses fundamentale Rätsel mit einigen der präzisesten jemals durchgeführten Experimente in diesem Sektor.

Durch den Vergleich der fundamentalen Eigenschaften von Protonen und Antiprotonen mit höchster Genauigkeit stellen wir die grundlegenden Prinzipien der Physik – wie Ladungs-, Paritäts- und Zeitumkehrsymmetrie (CPT-Symmetrie) – auf die Probe. 

Unser Vergleich der Ladung-Masse-Verhältnisse von Protonen und Antiprotonen, mit einer Genauigkeit von 16 ppt (Nature, 2022), ist der derzeit empfindlichste Test der CPT-Symmetrie im Baryonensektor. Zusätzlich werden in unseren Experimenten die magnetischen Momente von Protonen und Antiprotonen mit einer Präzision von 1.5 ppb (Nature, 2017) verglichen, damit ist es uns gelungen die Grenzen dieses Materie- / Antimaterie-Symmetrie-Tests mehr als tausendfach zu verbessern.

Diese Durchbrüche basieren auf zahlreichen Innovationen: ultra-stabile kryogene Penning- Fallen-Systeme, Antiprotonenreservoirs, die Teilchen jahrelang speichern können (NJP), zusammen mit Detektionstechnologien, die am Quantenlimit arbeiten. 

Unsere Fallen erreichen die niedrigsten bisher erreichten Quantenheizraten (PhyRevLett, 2019), die höchsten jemals verwendeten Magnetfeldgradienten, etc… – was es uns ermöglicht, nach Physik jenseits des Standardmodells zu suchen. So haben wir beispielsweise einige der stringentesten Beschränkungen für millicharged Dark Matter (PRXQuantum, 2022) und exotische Phänomene wie asymmetrische Materie-Dunkle/Antimaterie-Kopplungen (Nature, 2019) gesetzt.

Jetzt gehen wir noch einen Schritt weiter. Mit unserem neuen BASE-STEP-Projekt haben wir erfolgreich Protonen aus der Antimateriefabrik des CERN transportiert – und damit den Weg für präzise Antimaterie-Studien in störungsarmen Laboren, fernab von den Beschleunigern des CERN geebnet. An der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf entwickeln wir derzeit ein solches Labor, um die Genauigkeit unserer Messungen noch weiter zu steigern.

Das ist nicht nur Teilchenphysik im Grenzbereich zur Atomphysik – es ist eine spannende Reise in die tiefen Strukturen der Realität.