Die Form des Elektrons könnte eine neue Physik verbergen
Quanten Mysterium
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Transkript (automatisch erstellt)

0:00 In fast jedem Schulbuch der Welt existiert ein vertrautes Bild, das unsere Vorstellung von der Realität prägt.
0:07 Das Elektron als winzige perfekt geformte Kugel, die lautlos um einen Atomkern kreist. Doch die moderne Quantenmechanik
0:16 zeichnet ein völlig anderes, unendlich komplexeres Bild. Dieses fundamentale Teilchen besitzt nach gängiger Lehrmeinung keine feste Oberfläche und
0:25 keine innere Struktur. Dennoch stellt eine scheinbar schlichte Frage die gesamte theoretische Physik vor eine monumentale Zerreißprobe.
0:34 Welche Form hat das Elektron wirklich? Wenn diese fundamentale Ladungsverteilung auch nur um den winzigsten Bruchteil eines Durchmessers
0:43 von einer vollkommenen Symmetrie abweicht, geraten die Grundfesten unseres Verständnisses ins Wanken. Das etablierte Standardmodell der
0:51 Teilchenphysik, das bisher nahezu jede experimentelle Prüfung bravös bestanden hat, sagt eine praktisch unmerkliche Verformung voraus.
1:00 Sollte das Elektron jedoch eine messbare Asymmetrie aufweisen, eine Art birnenförmige Abweichung, die Fachleute als elektrisches Debrühmoment
1:08 bezeichnen, wäre dies der direkte Beweis für das Eingreifen unentdeckter Naturgesetze. Es könnte bedeuten, dass unbekannte
1:16 extrem schwere Teilchen im quantenmechanischen Vakuum existieren und die bestehende Ordnung ins Chaos stürzen.
1:23 Willkommen. Heute tauchen wir tief in das faszinierende Rätsel ein, wie die verborgene Gestalt des Elektrons die Grenzen der modernen Wissenschaft neu
1:33 definieren könnte. Wenn Sie diese Reise an die Ränder der physikalischen Erkenntnis spannend finden, hinterlassen Sie gern ein Like.
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1:49 gerade verfolgen. Um die fundamentale Tragweite dieser Fragestellung überhaupt erfassen zu können, müssen wir zunächst die
1:56 vertrauten Bilder unserer Schulzeit radikal hinter uns lassen. Über Generationen hinweg lehrte uns der klassische Physikunterricht Atome als
2:05 Miniatur Sonnensysteme zu begreifen. In diesem mechanischen Modell bildet der schwere Kern das Zentrum und kreist von winzigen harten Kügelchen namens
2:15 Elektronen, die auf festen Bahnen ihre Runden ziehen. Diese Sichtweise maßgeblich geprägt durch das Borsche Atommodell und die frühen Entdeckungen
2:24 von Joseph John Thompson gegen Ende des 19. Jahrhunderts war historisch zweifellos ein Meilenstein. Sie half dabei, die Existenz elektrischer
2:34 Ladungen zu strukturieren und Phänomene wie die Leitfähigkeit von Metallen oder chemische Bindungen grob zu ordnen. Doch für die tiefergehende Wirklichkeit
2:43 des Mikrokosmos erweist sich dieses Bild als eine bloße Krücke, als ein vereinfachtes Konstrukt unseres Verstandes, der so verzweifelt versucht,
2:53 die vertrauten Gesetze des Alltags auf das Allerkleinste zu übertragen. In der modernen theoretischen Physik, genauer gesagt im Rahmen der relativistischen
3:02 Quantenfeldtheorie, löst sich die feste materielle Hülle des Elektrons vollständig auf. Es gibt keine kleine harte Marmorkugel
3:11 im subatomaren Raum. Es gibt keine Schale, an der man anklopfen könnte und keinen festen Rand, der ein Innen von einem Außen trennt. Nach dem heutigen
3:21 Kenntnisstand ist das Elektron ein echtes Elementarteilchen, was bedeutet, dass es aus nichts anderem zusammengesetzt ist. Es besitzt nach den
3:30 Gesetzen der Punktmechanik keinen geometrischen Radius. Würde man versuchen, seinen räumlichen Durchmesser direkt zu messen, stieße man auf eine
3:38 mathematische Singularität. Seine räumliche Ausdehnung gilt als punktförmig gleich 0. Doch wie kann etwas, das keinen festen Körper besitzt,
3:49 überhaupt eine Gestalt haben? Die Antwort liegt in der revolutionären Natur der Quantenfeldtheorie. Nach dieser Theorie besteht das
3:57 Universum nicht aus isolierten Teilchen, die sich durch einen völlig leeren Raum bewegen. Vielmehr ist der gesamte Kosmos von kontinuierlichen, unaufhörlich
4:07 existierenden Feldern durchdrungen. Es gibt ein elektromagnetisches Feld, ein Gravitationsfeld, ein Hickfeld und eben auch ein allgegenwärtiges
4:16 Elektronenfeld. Was wir in unseren Experimenten als Elektron registrieren, ist nichts anderes als eine lokalisierte
4:24 quantisierte Anregung dieses Feldes. Eine Schwingung oder Welle, die Energie, Impuls und elektrische Ladung transportiert.
4:33 Ein Elektron verhält sich folglich niemals wie ein starrer Festkörper, sondern viel mehr wie eine dynamische Wolke aus Wahrscheinlichkeiten.
4:42 Wenn Physiker von der Form eines Elektrons sprechen, meinen Sie daher keineswegs die geometrische Kontur einer festen Kugeloberfläche.
4:50 Sie beziehen sich auf die Verteilung seiner elektrischen Ladum im Raum. Jedes Elektron trägt bekanntlich eine exakt definierte negative Elementarladung.
5:01 In der Quantenwelt ist diese Ladung jedoch nicht starr an einem Punkt fixiert, sondern verteilt sich gemäß der quantenmechanischen Wellenfunktion wie
5:09 ein zarter unscharfer Nebel. Man kann sich diese Ladungswolke wie eine kontinuierliche Dichte Verteilung vorstellen, deren Zentrum die größte
5:18 Wahrscheinlichkeit aufweißt, die Ladung anzutreffen. Hier kommt eine weitere fundamentale Eigenschaft ins Spiel, die unser klassisches Denken erneut
5:27 herausfordert. Der Spin. Oft wird der Spin als das Drehen eines Kreisels um die eigene Achse
5:34 veranschaulicht. Doch diese Analogie führt in die Irre. Würde sich ein punktförmiges oder auch nur winzig kleines Elektron tatsächlich
5:43 mechanisch so schnell um sich selbst drehen, um seinen gemessenen Eigendrehimpuls zu erzeugen, müsste sich seine hypothetische Oberfläche mit einem
5:51 Vielfachen der Lichtgeschwindigkeit bewegen. Das verbietet Einstein spezielle Relativitätstheorie kategorisch.
5:59 Der Spin ist kein reales mechanisches Rotieren im dreidimensionalen Raum, sondern ein intrinsischer rein quantenmechanischer Drehimpuls, eine
6:09 unveränderliche mathematische Eigenschaft des Teilchens. Dennoch verleih dieser Spin dem Elektron eine eindeutige Richtungsachse, ähnlich
6:17 wie die Rotationsachse unserer Erde. Das Elektron besitzt also eine Achse definiert durch seinen Spin und es besitzt eine Wolke aus negativer
6:27 elektrischer Ladung. Und genau an dieser Schnittstelle entsteht das faszinierende Konzept des elektrischen Depol Moments. Um dieses Phänomen greifbar zu machen,
6:37 lohnt sich ein Gedankenspiel mit vertrauten geometrischen Formen. Betrachten wir zunächst eine vollkommen kugelförmige Ladungsverteilung.
6:46 Wenn die negative Ladung in absolut alle Richtungen exakt gleichmäßig vom Zentrum der quantenmechanischen Masse ausstrahlt, dann fällt der Mittelpunkt
6:55 der Ladungsverteilung exakt mit dem Massenmittelpunkt zusammen. In diesem Fall ist das Teilchen vollkommen spiegelsymmetrisch.
7:04 Es existiert kein Ungleichgewicht, keine Bevorzugung einer Richtung. Das elektrische Depol Moment ist in diesem Idealfall gleich null.
7:14 Das Teilchen ist im physikalischen Sinne absolut rund. Was aber geschieht, wenn diese Ladungswolke nicht völlig Isotrop ist? Stellen wir uns vor, die negative
7:25 Ladungsdichte verschiebt sich entlang der Spinachse minimal in eine bestimmte Richtung. Es entsteht eine winzige Asymmetrie. An einem Pol der Spinachse
7:35 sammelt sich ein Hauch mehr negative Ladung an als am gegenüberliegenden Pol. Das Elektron wäre dann nicht mehr kugelförmig, sondern leicht birnenförmig
7:45 oder eiförmig gestreckt. Eine Seite trüge einen infinitesimalen Überschuss an negativer Ladung, wenn die andere Seite in direkten Vergleich eine
7:54 relative Verarmung aufwiese. Dieser winzige räumliche Abstand zwischen dem Schwerpunkt der negativen Ladung und dem Schwerpunkt des Teilchens definiert das
8:03 permanente elektrische Depolm. Existiert ein solches Depol Moment, reagiert das Elektron auf äußere elektrische Felder auf eine fundamentale
8:13 verräterische Art und Weise. Ein völlig symmetrisches Teilchen ohne Depolmoment spürt in einem homogenen elektrischen Feld lediglich eine geradlinige Kraft,
8:23 die seine Gesamteinheit beschleunigt. Besitzt es jedoch ein Depol Moment, verhält es sich wie ein winziger Kompass in einem Kraftfeld.
8:32 Das elektrische Feld übt einen Drehmoment auf das Teilchen aus und versucht diese asymmetrische Ladungsachse parallel zu den Feldlinien
8:40 auszurichten. Die Energie des Teilchens verändert sich je nachdem, ob sein Spin in Richtung des elektrischen Feldes oder entgegen dieser
8:48 Richtung orientiert ist. Diese denkbare Asymmetrie ist keineswegs eine mathematische Spielerei ohne Konsequenzen. Sie berührt die tiefsten
8:57 Symmetriegesetze der modernen Naturwissenschaften. In der klassischen Elektrodynamik und in vielen Bereichen der Atomphysik ist ein
9:05 permanentes elektrisches Depolymoment für ein isoliertes Elementarteilchen ein regelrechtes Paradoxon. Warum sollte die Natur einen
9:14 fundamentalen Baustein eine Vorzugsrichtung entlang seiner Rotationsachse mitgeben? Warum sollte ein Pol anders beschaffen
9:22 sein als der andere? Wenn das Elektron tatsächlich eine solche Verformung aufweist, bricht es mit einer der tiefsten harmonischen Annahmen über das
9:31 Wesen der Materie. Bislang haben experimentelle Messungen gezeigt, dass diese Ladungswolke mit einer schier unbegreiflichen Präzision
9:39 der perfekten Kugelform gleicht. Wenn man das Elektron gedanklich auf die gewaltigen Ausmaße unseres gesamten Planeten Erde aufblähen würde, so
9:49 entspräche die vom aktuellen Standardmodell erlaubte Abweichung von der Kugelgestalt nicht etwa der Höhe eines Berges wie dem Mount Everest,
9:57 nicht einmal der Dicke einer menschlichen Zelle, sondern einem Bruchteil des Durchmessers eines einzelnen Atoms.
10:05 Es ist die mit Abstand rundeste Struktur, die der Menschheit im bekannten Kosmos jemals begegnet ist. Dennoch besteht ein gewaltiger
10:13 grundlegender Unterschied zwischen einer Zahl, die unvorstellbar klein ist, und einer Zahl, die absolut und unumstößlich exakt null beträgt.
10:24 Nach den fundierten Vorhersagen des etablierten Standardmodells der Teilchenphysik ist das elektrische Depolmoment des Elektrons zwar nicht
10:31 exakt null, aber es ist so verschwindend gering, dass es viele Größenordnungen unterhalb der Nachweisgrenze selbst modernster Labore liegt. Es wird durch
10:42 extrem komplexe mehrfache Wechselwirkungen höherer Ordnung im Quantenbereich unterdrückt. Sollten Wissenschaftler also in ihren
10:50 hochpräzisen Messungen jemals ein elektrisches Depolmoment finden, das größer ist als dieser winzige Standardmodellwert,
10:58 dann kann diese Verformung unmöglich vom Elektron allein stammen. Sie müsste das sichtbare Echo von etwas anderem sein, das sich im Verborgenen abspielt. Die
11:08 scheinbar schlichte Frage nach der Form der Ladungswolke verwandelt sich damit in ein mächtiges Vergrößerungsglas für die fundamentalen Kräfte des Universums.
11:17 Wir betrachten kein starres Küelchen, sondern ein zartes, hochempfindliches Gebilde aus Feldern und Wahrscheinlichkeiten, dessen leiseste
11:25 Neigung zur Asymmetrie verraten kann, welche unentdeckten Mechanismen tief im Gewebe der Raumzeit wirken. Um zu verstehen, warum die Gestalt dieser
11:34 mikroskopischen Ladungswolke so unerschütterlich stabil erscheint, müssen wir einen weiteren großen Irrtum des menschlichen Alltagsverstandes
11:41 auflösen. Die Vorstellung vom leeren Raum. Wenn wir im täglichen Leben von einem Vakuum sprechen, meinen wir einen Behälter, aus dem sämtliche
11:49 Luftmoleküle, jeder Staubpartikel und jedes noch so winzige Gasatom vollständig abgepumpt wurden. Wir stellen uns eine absolute unberührte
11:58 Schwerze vor, eine vollkommene Lehre, in der buchstäblich nichts existiert. Keine Bewegung, keine Energie, keine Substanz. In der klassischen Physik des 19.
12:10 Jahrhunderts galt dieser Zustand als der Innenbegriff der absoluten Ruhe. Doch die moderne Quantenmechanik entlarf diese absolute Stille als Illusion.
12:20 Im subatomaren Bereich gibt es kein absolutes nichts. Das fundamentale Prinzip, dass die Natur auf dieser Skala regiert, ist die berühmte unschärfe
12:30 Relation, die Werner Heisenberg in den Anfängen des 20. Jahrhunderts formulierte. In ihrer Zeit und energiebezogenen
12:38 Variante besagt diese fundamentale Gesetzmäßigkeit, dass die Energie eines Systems und das Zeitintervall, in dem diese Energie
12:46 beobachtet wird, niemals gleichzeitig mit beliebiger Exaktheit bestimmt sein können. Je kürzer das Zeitfenster ist, das wir betrachten, desto größer wird
12:55 die unvermeidliche Schwankung, die Ungewissheit der Energie. Daraus folgt eine geradezu spektakuläre Konsequenz für die Natur des Raumes.
13:04 Das Vakuum kann niemals die Energie null besitzen. Würde es exakt null Energie enthalten, wäre sein Energiezustand über jeden
13:12 beliebigen Zeitraum hinweg vollkommen scharf bekannt, was dem Quantenprinzip der Unschärfe direkt widerspreche. Daher ist das Vakuum der Quantenwelt
13:22 keineswegs eine leblose tote Bühne. ist viel mehr ein unaufhörlich kochender, pulsierender Ozean aus unbändiger Aktivität.
13:31 Es brodelt von sogenannten Quantenfluktuationen, winzigen Schwingungen der fundamentalen Felder, die den gesamten Kosmos
13:39 durchziehen. Aus diesem energetischen Grundrauschen entstehen unentwickt Teilchen und deren Antiteilchen.
13:46 Sie tauchen für einen unvorstellbar winzigen Moment aus dem Nichts auf, borgen sich die dazu notwendige Energie direkt aus dem Vakuum, trennen sich,
13:56 bewegen sich ein unmerkliches Stück voneinander weg und vernichten sich kurz darauf gegenseitig wieder, wodurch sie die geborgte Energie wieder an das
14:04 Vakuum zurückzahlen. Physiker nennen diese füchtigen Gebilde virtuelle Teilchen. Sie sind keine Gespenster oder bloße Rechenhöfen auf
14:14 dem Papier theoretischer Physiker. Ihre Existenz ist experimentell vielfach und unbestreitbar nachgewiesen, etwa durch den Kasimir Effekt, bei dem sich zwei
14:24 neutrale Metallplatten im absolut luftleeren Raum aufgrund der äußeren virtuellen Schwingungen gegenseitig anziehen oder durch die Lampverschiebung
14:32 in den Energieniveaus des Wasserstoffatoms. Ein Elektron in dieser subatomaren Welt existiert daher niemals in vollkommener
14:40 Einsamkeit. Man kann sich an Elektron nicht als ein isoliertes Wesen vorstellen, das durch eine leere, teilnahmenslose Kulisse wandert.
14:49 Vielmehr befindet sich jedes reale Elektron im Zentrum eines permanenten tosenden Sturms. Wenn wir von einem sogenannten nackten
14:58 Elektron sprechen, meinen wir ein hypothetisches Teilchen, das von seiner Umgebung völlig isoliert wäre. Doch ein solches nacktes Elektron
15:07 existiert in der physischen Natur schlichtweg nicht. Sobald ein Elektron im Quantenfeld existiert, polarisiert seine eigene elektrische Ladung das
15:15 umgebene Vakuum augenblicklich. Seine negative Ladung zieht die winzigen virtuellen Positronen, die positiv geladenen Antiteilchen des Elektrons,
15:25 ganz leicht an, während sie die virtuellen Elektronen geringfügig abstößt. Gleichzeitig sendet das Elektron unaufförlich virtuelle Photonen
15:33 aus, die Lichtquanten, die sofort wieder absorbiert werden. Es absorbiert und emitiert diesen unsichtbaren Schleier aus Licht und Materie in jedem noch so
15:43 unmessbaren Sekundenbruchteil. Das reale Elektron, das wir in Laboren manipulieren und dessen Masse und Ladung wir bestimmen können, ist also stets ein
15:53 sogenanntes angekleidetes Elektron. Es ist das Zentrum eines dichten, hochkomplexen Schleiers, einer Hülle aus virtuellen Photonen,
16:03 Elektronpositronparen und im Grunde sämtlichen anderen Teilchen des Standardmodells, die für den Bruchteil eines Augenblicks
16:09 entstehen und vergehen können. Man kann sich dieses Bild wie einen Schwarm winziger Mücken vorstellen, der unablässig um eine zentrale Quelle
16:18 schwirrt oder wie eine Kugel, die durch dichten Neuschnee rollt und dabei fortwährend Schneeflocken aufnimmt und wieder abstreift. Der Schwarm ist nicht
16:26 vom Zentrum zu trennen. Er ist ein integraler Bestandteil dessen, was wir als Elektron wahrnehmen. Und genau an diesem Punkt stellt sich die
16:35 fundamentale Frage: Welchen Einfluss hat dieses ununterbrochene Gewitter virtueller Teilchen auf die Symmetrie? Auf die geometrische Ladungsverteilung
16:44 des Elektrons? Hüllt dieser Schleier das Elektron in ein vollkommen gleichmäßiges Kleid oder sorgt die wilde Unruhe der virtuellen
16:54 Prozesse dafür, dass der Ladungsschwerpunkt ins Taumeln gerät und sich dauerhaft von der Rotationsachse wegbewegt?
17:02 Hier tritt das Standardmodell der Teilchenphysik auf dem Plan. Die bis heute erfolgreichste Theorie zur Beschreibung der fundamentalen Bausteine
17:10 der Materie und ihrer Wechselwirkung. Das Standardmodell beschreibt die elektromagnetische, die schwache und die starke Kernkraft mit mathematischer
17:19 Stränge. Und wenn man die komplexen Gleichungen dieses Modells heranzieht, um zu berechnen, wie diese Schar virtueller Teilchen die Ladungsräcke des
17:27 Elektrons formt, zeigt sich ein bemerkenswertes Resultat von erhabener Symmetrie. Nach den Gesetzen des Standardmodells
17:36 wird die Wechselwirkung eines Elektrons mit seiner virtuellen Wolke fast vollständig von der Quantenelektrodynamik dominiert, also
17:43 von den Kräften des Elektromagnetismus. Die elektromagnetische Kraft jedoch ist absolut symmetrisch in Bezug auf Raumspiegelungen und die Umkehrung des
17:52 Zeitpfeils. Sie bevorzugt weder links noch rechts, weder ein vorwärts noch ein rückwärts. Die virtuellen Photonen und Elektron
18:01 Positronpare, die aus dieser Kraft hervorgehen, lagern sich daher mit absoluter Gleichförmigkeit um das Zentrum an. Sie verteilen sich in
18:10 sphärische Harmonie. Zwar enthält das Standardmodell auch die schwache Kernkraft, die bekanntermaßen bestimmte Spiegelmrien bricht, doch dieser
18:20 Mechanismus ist im Falle des Elektrons auf raffinierte Weise abgeschirmt. Um innerhalb des Standardmodells eine permanente Verschiebung der
18:28 Ladungsdichte, also ein messbares elektrisches Depol Moment zu erzeugen, reicht es nicht aus, dass ein einzelnes virtuelles Teilchen kurz auftaucht.
18:38 müssen extrem verschachtelte mehrstufige Quantenprozesse ablaufen. Ein virtuelles Teilchen müsste beispielsweise ein weiteres Teilchen emitieren, welches
18:48 wiederum mit Quarks im Inneren von virtuellen Hadronenwechsel wirkt und diese Kaskade müsste sich über mehrere Schleifen in den sogenannten Feineman
18:56 Diagrammen erstrecken. In der Sprache der theoretischen Physik bedeutet dies, dass ein elektrisches Depolmoment für das Elektron im
19:04 Standardmodell erst bei Prozessen vierter Ordnung auftritt. Jeder zusätzliche Schritt in einer solchen Kaskade ist jedoch mit einem
19:12 winzigen mathematischen Kopplungsfaktor versehen. Wenn man diese Faktoren miteinander multipliziert, wird der resultierende
19:20 Gesamtwert astronomisch klein. Das Standardmodell sagt für das elektrische Depol Moment des Elektrons einen Wert voraus, der kleiner ist als
19:29 10 hoch -38 cm multipliziert mit der Elementarladung. Das ist eine Zahl von einer so unvorstellbaren Kleinheit, dass sie sich
19:39 menschlichen Maßstäben völlig entzieht. Es bedeutet praktisch, dass die Wolke aus virtuellen Teilchen, die das Elektron umhüllt, nach dem bekannten
19:48 Naturgesetzen absolut perfekt ausbalanciert ist. Keine Seite des Elektrons wird bevorzugt. Die Ladungswolke bleibt
19:56 kuelförmig, unerschütterlich rund, geschützt durch die tiefe mathematische Kohherenz des Standardmodells. Für experimentelle Physiker bedeutet
20:05 diese Vorhersage des Standardmodells jedoch etwas außergewöhnliches. Sie gleicht einer fast perfekten Nullinie.
20:13 Es gibt in diesem Modell praktisch keinen störenden theoretischen Hintergrund, kein natürliches Rauschen, das ein künstliches Signal vortäuschen
20:22 könnte. Wenn experimentelle Detektoren der Gegenwart und nahen Zukunft ein elektrisches Debollmoment messen, das um viele Zehner Potenzen über diesem
20:32 theoretischen Minimalwert liegt, dann kann dieses Signal unmöglich durch die bekannten virtuellen Teilchen des Standardmodells hervorgerufen werden. Es
20:41 wäre das unmissverständliche Signal, dass sich in diesem brodelnden Quantenvakuum noch ganz andere bisher völlig unbekannte Entitäten tummeln. Die
20:50 perfekte Rundheit des Elektrons, garantiert durch die bekannten Naturgesetze, dient somit als die ultimative unbestechliche Leinwand.
21:00 Jeder noch so zarte Schatten einer Asymmetrie auf dieser Leinwand wäre der unumstößliche Beweis dafür, dass die Natur Geheimnisse birgt, von denen
21:09 unsere heutigen Lehrbücher noch kein einziges Wort enthalten. Wenn die etablierten Naturgesetze des Standardmodells eine so überwältigende
21:18 nahezu vollkommene Rundheit voraussagen, warum investieren Forschungsteams weltweit dann jahrzehnte harte Arbeit in die Suche nach einer winzigen
21:27 Asymmetrie? Die Antwort liegt in einer tiefen Unruhe, die die theoretische Physik seit geraumer Zeit erfasst hat. Trotz aller
21:35 grandiosen Triumphe des Standardmodells von der Vorhersage des Hickbrosons bis zur präzisen Berechnung fundamentaler Wechselwirkungen wissen Forschende sehr
21:45 genau, dass dieses Gebäude unvollständig sein muss. Es erklärt weder die rätselhafte dunkle Materie, die Galaxien zusammenhält, noch liefert es eine
21:55 quantenmechanische Beschreibung der Gavitation. Aus diesem Grund vermuten viele theoretische Physikerinnen und Physiker,
22:03 dass jenseits unseres heutigen Wissenshorizonts eine völlig neue Physik existieren könnte. Im Zentrum dieser vorsichtigen
22:10 Spekulation stehen hypothetische Modelle, die oft als Erweiterungen des Standardmodells formuliert werden. Eine der elegantesten und mathematisch
22:19 reichhaltigsten Ideen dieser Art ist das Konzept der Supersymmetrie. Nach dieser theoretischen Annahme könnte jedem bekannten Teilchen ein schwerer
22:29 bisher unentdeckter Partner zugeordnet sein. Den bekannten Matereteilchen, den Fermionen wie dem Elektron stünden hypothetische Kraftteilchen, sogenannte
22:39 Bosonen als Partner gegenüber. Für das Elektron postuliert die Theorie ein hypothetisches Teilchen namens Selectron. Für die Quarks gäbe es
22:49 Squarks und für die Träger der fundamentalen Kräfte existierten hypothetische Partner wie Neutralinos oder Gluinos. Es muss an dieser Stelle
22:58 mit aller wissenschaftlichen Vorsicht betont werden. Bislang gibt es keinen einzigen gesicherten experimentellen Beweis dafür, daß die Supersymmetrie
23:07 oder verwandte Konzepte tatsächlich in der Natur realisiert sind. Trotz intensiver Suche an gewaltigen Teilchenbeschleunigern wie dem großen
23:16 Hadronen Speicherring am europäischen Kernforschungszentrum konnte bis heute keines dieser vorhergesagten Partnerteilchen direkt
23:24 erzeugt oder nachgewiesen werden. Dennoch bleiben diese Theorien eine bedeutsame Hypothese, denn sie bieten konsistente mathematische Lösungsansätze
23:33 für fundamentale Paradoxinien der modernen Kosmologie und Teilchenphysik. Sollten solche unbekannten hypothetischen Teilchen jedoch
23:41 tatsächlich existieren, dann müssten sie nach den Prinzipien der Quantenmechanik eine ungeheure Masse besitzen. Eine Masse, die möglicherweise weit jenseits
23:50 der direkten Erzeugungsgrenzen unserer heutigen Beschleunigeranlagen liegt. Doch hier kommt die unerbittliche Logik der Quantenunschärfer Relation wieder
23:59 ins Spiel. Wie wir gesehen haben, ist das Quantenvakuum kein passiver Raum. Wenn neue extrem schwere Teilchen im Naturgesetz verankert sind, dann können
24:10 sie genau wie die bekannten Teilchen des Standardmodells als flüchtige virtuelle Teilchen in Vakuum existieren. Zwar besagt die unschärfe Relation von Werner
24:20 Heisenberg, dass ein Teilchen mit enormer Masse, was einer gewaltigen Energie entspricht, nur für eine unbegreiflich winzige Zeitspanne aus dem
24:28 Vakuum hervortreten darf. Je massereicher ein virtuelles Gebilde ist, desto rascher muß es seine geborgte Existenz wieder an das energetische
24:36 Grundrauschen zurückgeben. Doch in der Quantenwelt bedeutet eine unvorstellbar kurze Dauer keineswegs Wirkungslosigkeit.
24:45 Selbst in einem flüchtigen Moment, der weit unterhalb jeder direkten Messbarkeit liegt, kann ein solches hypothetisches Teilchen mit seiner
24:52 Umgebung wechselwirken. Und genau hier berühren sich die spekulative Hochenergiephysik und die Gestalt des Elektrons.
25:01 Stellen wir uns das Elektron erneut als jenes Teilchen vor, das von einem permanenten Schleier aus virtuellen Fluktuation umgeben ist. Wenn das
25:10 Universum tatsächlich schwerere unentdeckte Teilchen beherbergt, dann beschränkt sich dieser virtuelle Schleier nicht nur auf die bekannten
25:18 Photonen oder Elektron Positronpare. Das Elektron würde in diesem Szenario auch für minimale Sekundenbruchteile hypothetische schwere Teilchen emitieren
25:29 und reabsorbieren. etwa ein virtuelles Selectron, das kurzzeitig Seite an Seite mit einem schweren hypothetischen Partner existiert, bevor wieder in das
25:39 Vakuum zurücksinken. Der entscheidende Unterschied zwischen den bekannten Teilchen des Standardmodells und diesen
25:45 hypothetischen Neuzugängen liegt in der Natur ihrer hypothetischen Wechselwirkungen. Viele Modelle einer erweiterten Physik,
25:53 einschließlich bestimmter Varianten der Supersymmetrie enthalten neue Quellen fundamentaler Asymmetrien. Während die elektromagnetische Kraft die
26:02 Ladungswolke streng kugelsymmetrisch hält, könnten diese neuen schweren virtuellen Teilchen auf eine Art und Weise mit dem Elektron interagieren, die
26:11 diese markellose Balance stört. Konkret könnte das bedeuten, wenn ein Elektron mit einem hypothetischen super symmetrischen Partnerteilchen im
26:20 virtuellen Zustandwechsel wirkt, könnte dieser Prozess eine winzige Vorzugsrichtung relativ zur Achse des Spins besitzen. Die Wechselwirkung würde
26:29 die negative Ladungswolke des Elektrons ganz leicht in eine Richtung ziehen oder drücken. Sie würde gewissermaßen einen winzigen Abdruck, eine minimale Delle
26:39 oder eine birnenförmige Streckung in der Ladungsverteilung hinterlassen. Die negative Ladung würde sich infinitesimal zu einem der beiden Pole
26:48 der Spinse hinverschieben. In dieser theoretischen Lesart wäre ein permanentes elektrisches Depolmoment des Elektrons nichts geringeres als das
26:56 fossile Signal eines ungesehenen Prozesses. Das Elektron selbst müsste dazu nicht zersplittern oder seine grundlegende
27:04 Natur aufgeben. Seine Ladungswolke würde lediglich wie ein hochempfindliches Seismometer auf die unsichtbaren Erschütterung im Vakuum reagieren. Statt
27:14 riesige Energiemengen aufzuwenden, um ein hypothetisches schweres Teilchen mit roher Gewalt in einer Kollision für einen Augenblick real zu erzeugen,
27:22 nutzen forschende die feinsinnige Struktur des Elektrons als indirektes Fenster in diese verborgene Welt. Theoretische Berechnungen zeigen.
27:31 Sollten supersymmetrische Teilchen oder andere hypothetische Felder mit bestimmten Massen und Kopplungskonstanten existieren, könnten
27:38 sie ein elektrisches Dipoment erzeugen, das viele Zehner Potenzen größer ist als der verschwinden kleine Wert des Standardmodells.
27:47 Es wäre eine Asymmetrie, die zwar noch immer unfassbar klein ist, vielleicht im Bereich von 10 hoch -29 oder 10 hoch - 300 cm multipliziert mit der
27:56 Elementarladung, die aber genau in jenem Bereich liegt, den hochmoderne Präzisionsexperimente heute überhaupt erst zu erforschen beginnen. Wir bewegen
28:05 uns hier ausdrücklich auf dem Boden von Hypothesen. Niemand kann mit Bestimmtheit sagen, ob diese schweren Teilchen tatsächlich im
28:13 Gewebe der Raumzeit schlummern oder ob sie bloß faszinierende mathematische Hirngespinste sind. Doch die Möglichkeit, daß ein einzelnes
28:23 alltägliches Elektron die Fingerabdrücke einer völlig neuen Physik in seiner Ladungswolke tragen könnte, verleit der Suche nach seiner wahren Form eine
28:32 atemberaubende theoretische Tiefe. Jede Messung, die die Symmetrie dieser Wolke überprüft, ist im Grunde ein Blick in die verborgene Zusammensetzung des
28:41 Vakuums selbst. Um die tiefe Tragweite einer verformten Ladungswolke vollständig zu begreifen, müssen wir eine Ebene tiefer blicken,
28:51 direkt in das Herz der fundamentalen Symmetrien, die unser Verständnis von Raum und Zeit beherrschen. In der modernen Physik gibt es drei
28:59 grundlegende Transformationen, die wie unumstößliche Pfeile das Fundament der Naturgesetze bilden. Die Ladungskonjugation,
29:08 die Raumspiegelung oder Parität und die Zeitumkehr. Die Raumspiegelung in der Fachsprache als Paritätstransformation bezeichnet,
29:16 entspricht dem einfachen Gedankenexperiment, das gesamte Universum in einem dreidimensionalen Spiegel zu betrachten. Rechts wird mit
29:24 links vertauscht, oben und unten bleiben erhalten und jede Bewegung kehrt ihre räumliche Orientierung um. Die Ladungskonjugation wiederum
29:34 verwandelt gedanklich jedes Teilchen in sein exaktes Antiteilchen. Ein negativ geladenes Elektron wird zu einem positiv geladenen Positron.
29:44 Die Zeitumkehr schließlich bedeutet, den Fluss der Zeit rein mathematisch wie einen Film rückwärts ablaufen zu lassen, sodass jede Bewegung exakt in ihre
29:53 entgegengesetzte Richtung verläuft. Lange Zeit ging die Physik davon aus, daß die Gesetze der Natur unter all diesen Operationen vollkommen
30:01 unverändert bleiben müstten. Doch Mitte des 20. Jahrhunderts entdeckten Forschende, dass die schwache Kernkraft die Raumspiegelung bricht und wenig
30:10 später zeigte sich beim Zerfall bestimmter neutraler Maisonen, dass auch die kombinierte Symmetrie aus Ladung und Parität, die sogenannte CP-Symmetrie,
30:20 keineswegs unantastbar ist. Und genau an dieser empfindlichen Schnittstelle berührt die Form des Elektrons eine der heiligsten Säulen der relativistischen
30:29 Quantenmechanik, das sogenannte CPT Theorem. Dieses mathematisch streng bewiesene Theorem besagt, dass ein Prozess, wenn
30:39 man gleichzeitig Ladung, Raum und Zeit spiegelt, exakt denselben Gesetzen gehorchen muss. Bricht ein Phänomen folglich die Kombination aus Ladungs und
30:49 Raumspiegelung, muss es zwangsläufig auch die Symmetrie der Zeitumkehr brechen, um das übergeordnete Gleichgewicht zu wahren.
30:58 Ein permanentes elektrisches Depolmoment des Elektrons ist nun genau ein solches Phänomen, dass die Symmetrie der Zeitumkehr und die Paritätssymmetrie
31:07 fundamental und unerbittlich verletzt. Um zu verstehen, warum das so ist, muss man das Wechselspiel zweier grundlegender Vektoren betrachten, die
31:15 das Elektron charakterisieren. Seinen magnetischen Dipolmoment, der fest an die Achse des quantenmechanischen Spins gekoppelt ist
31:23 und sein hypothetisches elektrisches Depolmoment, das die Asymmetrie der Ladungswolke beschreibt, betrachten wir zunächst das magnetische Moment und den
31:32 Spin. Wenn man den Spin vereinfacht als Drehimpuls begreift und diesen Vorgang im Spiegel der Zeitumkehr betrachtet, geschieht etwas Entscheidendes.
31:42 Jede Rotation kehrt unter Zeitumkehr ihre Richtung um. Läuft die Zeit rückwärts, dreht sich ein im Uhrzeigersinn rotierender Zeiger
31:51 plötzlich gegen den Uhrzeigersinn. Folglich ändert der Spinvektor und mit ihm das magnetische Moment des Elektrons unter einer Umkehrung des Zeitfalls
32:01 exakt sein Vorzeichen. Nun wenden wir denselben Test auf das elektrische Depolm an. Ein elektrisches Dolmoment ist definiert durch eine statische
32:11 räumliche Ladungstrennung. Der Schwerpunkt der negativen Ladung ist gegenüber dem Massenschwerpunkt entlang der Spinnachse minimal verschoben.
32:21 Was geschieht mit zwei ruhenden räumlich getrennten Ladungsschwerpunkten, wenn die Zeit rückwärts läuft? Nichts. Eine statische Position hängt
32:32 nicht von der Flussrichtung der Zeit ab. Ein Standbild bleibt ein Standbild, ganz gleich, ob der Film vorwärts oder rückwärts projiziert wird.
32:41 Das elektrische Diproment ändert unter Zeitumkehr sein Vorzeichen also ausdrücklich nicht. Hier offenbart sich der fundamentale Widerspruch.
32:51 Da Elektron ein echtes Elementarteilichen ist, kann die Ausrichtung seines hypothetischen elektrischen Depooments im Raum an keine
32:59 andere Eigenschaft bunden sein, als an die einzige ausgezeichnete Richtungsachse, die das Teilchen überhaupt besitzt. und das ist seine
33:07 Spinchse. Das elektrische Depoment muss folglich entweder exakt parallel oder exakt antiparallel zum Spin ausgerichtet sein.
33:16 Wenn man nun die mathematische Zeitumkehr auf dieses Gesamtsystem anwendet, kippt der Spinvektor in die entgegengesetzte Richtung um, während
33:24 der Vektor der Ladungsverschiebung unverändert in seine ursprüngliche Richtung weist. Plötzlich stündet der Ladungsvektor nicht mehr in derselben
33:32 relativen Beziehung zum Spinnen wie zuvor. Ein Elektron, das seinen Zustand unter einer bloßen Umkehrung des Zeitablaufs
33:39 nicht beibehält, verletzt jedoch das Prinzip der Zeitumkehr in Varianz. Nach dem CPTM bedeutet dies unweigerlich: Ein permanentes elektrisches Depol
33:50 Moment bricht sowohl die zeitliche Symmetrie als auch die CP Symmetrie. Diese theoretische Symmetriebbrechung führt zu einem ganz konkreten,
33:59 beobachtbaren Verhalten, wenn ein solches deformiertes Elektron gleichzeitig einem äußeren elektrischen Feld und einem äußeren magnetischen Feld
34:07 ausgesetzt wird. Normalerweise richtet sich das magnetische Moment des Elektrons im Magnetfeld aus und beginnt eine gleichmäßige Präzisionsbewegung zu
34:16 verführen. Eine Taumebewegung, ganz ähnlich wie die Achse eines rotierenden Spielzeugkreisels, der im schwere Feld der Erde kreist.
34:25 Diese Präzisionsfrequenz ist durch das Magnetfeld und das magnetische Moment des Teilchens exakt festgelegt. Befindet sich das Elektron
34:34 nun zusätzlich in einem starken elektrischen Feld, geschieht bei einem vollkommen kugelsymmetrischen Teilchen nichts außergewöhnliches mit dieser
34:41 Taumbewegung, da ein symmetrisches Gebilde kein Drehmoment im homogenen elektrischen Feld erfährt. Besitzt die Ladungswolke jedoch ein
34:50 permanentes Depolmoment, greift das elektrische Feld direkt an dieser Asymmetrie an. Je nachdem, ob das elektrische Feld parallel oder
34:58 antiparallel zum magnetischen Feld angelegt wird, addiert oder subtrahiert sich die elektrische Wechselwirkungsenergie von der
35:05 magnetischen Wechselwirkungsenergie. Das Ergebnis ist eine messbare Verschiebung der Präzisionsfrequenz. Zeigt das elektrische Feld in die eine
35:14 Richtung, taumelt das Elektron einen winzigen Hauch schneller. Kehrt man die Richtung des elektrischen Feldes um, verlangsamt sich die
35:21 Taumelbewegung minimal. Dieser minimale Frequenzunterschied ist das verräterische Signal, nach dem Physiker in ihren Laboratorien suchen. Eine
35:31 solche asymmetrische Reaktion auf elektromagnetische Felder wäre kein gewöhnlicher Messwert. Sie wäre der unzweifelhafte Beweis dafür, daß die
35:40 grundlegenden Gesetze der Natur auf subatumarer Ebene einen echten Unterschied zwischen Vergangenheit und Zukunft kennen. Die scheinbar schlichte
35:50 Unwucht in der Ladungsverteilung eines einzelnen Elementarteilchens entpuppt sich damit als ein Riss im scheinbar perfekten Spiegel der Zeit.
36:02 Bis hierher könnte man geneigt sein, die Suche nach der Form des Elektrons für eine faszinierende, aber letztlich weltfremde Spezialdisziplin der
36:10 Quantenphysik zu halten. Ein abstraktes Ringen um unvorstellbar winzige Kommaststellen im Verhalten subatomarer Teilchen. Doch die Konsequenzen dieser
36:20 Messungen reichen weit über die Grenzen irdischer Laboratorien hinaus. Sie führen uns direkt an den Anfang aller Dinge zu einer der tiefsten und
36:30 verstörendsten Krisen der modernen Kosmologie, dem existentiellen Rätsel unserer eigenen Existenz.
36:38 Wenn wir heute durch leistungsstarke Teleskope in die Weiten des Weltalls blicken, sehen wir ein Universum von überwältigender materieller Fülle. Wir
36:47 beobachten hunderte Milliarden von Galaxien, von denen jede wiederum hunderte Milliarden leuchtender Sterne, unzählige Planeten, Gasnebel und
36:57 gigantische Staubwolken beherbergt. All diese Himmelskörper, ebenso wie jeder Felsen auf der Erde, jedes flüssige Gewässer und jede einzelne
37:06 Zelle unseres Körpers bestehen aus gewöhnlicher, wohlbekannter Materie, aus Protonen, Neutronen und den negativ geladenen Elektronen, die wir geradezo
37:16 eingehend untersuchen. Doch nach allem, was wir über die Gesetze der Hochenergiephysik und die Entstehung des Kosmos wissen, dürfte es diese Welt
37:24 schlichtweg nicht geben. Das Standardmodell der Kosmologie, gestützt auf die Beobachtung der kosmischen Hintergrundstrahlung und die Gesetze der
37:33 allgemeinen Relativitätstheorie, beschreibt die Geburt des Raumes und der Zeit im Urknall vor knapp 14 Milliarden Jahren. In jenen allerersten
37:42 Sekundenbuchteilen war das neugeborene Universum ein unvorstellbar heißer, dichter Brennofen, ein reines Meer aus purer, ungeheurer Energie. Nach
37:52 Einsteins berühmter Äquivalenz von Masse und Energie kann Energie direkt in Materie umgewandelt werden und Materie kann sich wieder in reiner Energie
38:01 auflösen. Doch die Gesetze der Quantenphysik verlangen für diesen Prozess eine fundamentale unumstößliche Symmetrie.
38:09 Wann immer Energie spontan in Materiene kondensiert, geschieht dies ausnahmslos in perfekt ausbalancierten Paaren. Wenn im Labor aus einem energiereichen Photon
38:20 ein Elektron entsteht, wird gleichzeitig immer und ohne jede Ausnahme sein Antiteilichen geboren, das Positron. Identisch in Masse und Spinnen, jedoch
38:30 mit exakt entgegengesetzter positiver Ladung. Entsteht ein Quark, entsteht zugleich ein Antiquark. Folgt man dieser strengen mathematischen
38:39 Logik bis zum Moment des Urknalls zurück, ergibt sich eine unausweichliche Konsequenz. In jenem anfänglichen Glutfeld hätte für
38:49 jedes einzelne Teilchen gewöhnlicher Materie zwingend ein exaktes Antiteilchen entstehen müssen. Das frühe Universum hätte mit absoluter
38:57 mathematischer Präzision zu exakt 50% aus Materie und zu 50% aus Antimaterie bestehen müssen. Ein völlig symmetrischer Kosmos, in dem kein
39:07 Teilchen dem anderen überlegen war. Doch eine solche Koexistenz von Materie und Antimaterie ist von Natur aus extrem instabil. Sobald ein Materieteilchen mit
39:19 seinem Antiteilichen in Kontakt gerät, geschieht die sogenannte Anihilation, die vollkommene gegenseitige Vernichtung.
39:27 Beide Teilchen lösen sich in einem winzigen Blitz aus harter Gammastrahlung auf. Ihre gesamte Masse wandelt sich schlagartig wieder in reine
39:35 elektromagnetische Energie um. Als sich das expandierende Universum nach dem Urknall rasch abkühlte und die mittlere thermische Energie unter den
39:44 Schwellenwert sank, der für die ständige Neubildung von Teilchenpaaren erforderlich war, begann dieses unausweichliche Drama der
39:51 Selbstauslöschung. Elektronen trafen auf Positronen, Protonen kollidierten mit Antiprotonen. In einem kosmischen Inferno vernichteten
40:00 sich die Teilchen gegenseitig in unvorstellbarer Zahl. Wären die Gesetze der Physik vollkommen symmetrisch geblieben, hätte dieser
40:09 Vernichtungsprozess mit absoluter Gründlichkeit bis zum letzten Partikel ablaufen müssen. Jedes einzelne Elektron hätte seinen Partner gefunden und wäre
40:18 mit ihm vergangen. Das gesamte Universum wäre innerhalb der ersten Minuten nach dem Urknall vollständig entvölkert worden. zurückgeblieben wäre ein toter,
40:28 unendlich trister Kosmos, ein expansiver, stumm erkaltender Raum, der von nichts anderem erfüllt wäre als von einem gleichmäßigen dünnen Nebel aus
40:38 Photonen, einer ewigen Strahlungswüste ohne ein einziges Atom, ohne Sterne, ohne Galaxien und ohne jede Möglichkeit für die Entstehung von Leben. Doch
40:49 dieser kosmische Totalschaden ist offensichtlich nicht eingetreten. Wir sind hier. Wir bestehen aus Protonen und Elektronen, die diesen apokalyptischen
40:57 Vernichtungsprozess der Frühzeit auf unerklärliche Weise überstanden haben. Wenn wir nach Antimaterie im Kosmos suchen, finden wir sie nirgends in
41:07 nennenswerten Mengen. Es gibt keine Ferngalaxien aus Antimaterie, keine Antisterne, von denen Anticht zu uns dringt. man immer Positronen oder
41:16 Antiproton im heutigen All auftauchen, geschieht dies lediglich als kurzlebige Nebenprodukte hochenergetischer astrophysikalische Ereignisse wie
41:25 Supernova Explosion oder der Aktivität schwarzer Löcher. Das reale Universum weist also ein gigantisches schreiendes Ungleichgewicht auf, eine fundamentale
41:35 Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie, die Physiker als Barionasymmetrie bezeichnen. Irgendetwas muss im heißen Chaos des
41:44 Urknalls geschehen sein, dass diese perfekte Balance zugunsten der Materie verschoben hat. Irgendein noch unerkannter physikalischer Mechanismus
41:53 muss dafür gesorgt haben, dass auf jeweils etwa eine Milliarde Anihilationspaare ein einziges überzähliges Materieteilchen übrig
42:02 blieb. Dieser winzige scheinbar unbedeutende Überschuss von einem einzigen Teilchen unter einer Milliarde ist der gesamte
42:10 Rohstoff, aus dem alles erbaut wurde, was heute existiert. Jede Galaxie, jedes Sonnensystem und jeder menschliche Atemzug verdankt seine Existenz dieser
42:21 infinitisen kosmischen Asymmetrie. Doch wie konnte ein solches Ungleichgewicht überhaupt entstehen, wenn die bekannten Gesetze der Natur doch eine perfekte
42:30 Parität von Teilchen und Antiteilchen vorschreiben? Welche geheime Zutat fehlt unserem theoretischen Verständnis, um diesen
42:38 Bruch mit der ursprülichen Harmonie zu erklären? Hier schlägt die Brücke zurück zum Mikrokosmos, denn die Antwort auf diese
42:46 gewaltige kosmologische Frage verbirgt sich möglicherweise nicht in den Tiefen des fernen Raumes, sondern in den feinsten, unmerklichen Eigenheiten jenes
42:57 Teilchens, das jeden Atomkern umkreist, dem Elektron. Um zu verstehen, wie das kosmische Überleben der Materie mit der Geometrie
43:06 des Elektrons verknüpft sein könnte, müssen wir den Blick auf eine fundamentale theoretische Arbeit aus dem Jahr 1969 richten. Der sowjetische
43:16 Physiker und spätere Friedensnobelpreisträger Andrej Sacharoff formulierte damals drei zwingende Bedingungen, die erfüllt sein
43:23 müssen, damit aus einem anfangs vollkommen symmetrischen Urknall ein sichtbarer Überschuss an Materie entstehen kann.
43:31 Die erste dieser Sacharof Bedingungen verlangt Prozesse, welche die sogenannte Barionenzahl verletzen. Also Reaktionen, bei denen mehr Materieteilchen als
43:40 Antiteilchen erzeugt werden können. Die zweite Bedingung besagt, dass sich diese Reaktion außerhalb des thermischen Gleichgewichts abspielen müssen, was
43:48 durch die rapide Expansion des frühen Raumes plausibel erscheint. Die dritte Bedingung jedoch ist die entscheidende Weichenstellung für unser
43:56 heutiges Rätsel. Die Naturgesetze müssen sowohl die Paritätsymmetrie als auch die kombinierte Symmetrie aus
44:04 Ladung und Raumspiegelung, die CP-Symmetrie, fundamental und nachhaltig brechen. Ohne eine solche CP-Verletzung würden
44:13 sämtliche Prozesse, die ein Matereteilchen erschaffen, mit exakt derselben Wahrscheinlichkeit auch das entsprechende Antiteilchen
44:21 hervorbringen. Ein winziger Vorteil für die Materie kann nur dann entstehen, wenn fundamentale Wechselwirkungen
44:28 existieren, die sich bei der Umkehrung von Ladung und Raumkoordinaten nicht vollkommen spiegelsymmetrisch verhalten. Hier nun offenbart sich das fundamentale
44:38 Dilemma der modernen Physik. Das Standardmodell der Teilchenphysik enthält zwar tatsächlich Mechanismen, die diese CPSymmetrie verletzen. Diese
44:46 Brechung wurde experimentell eindeutig in den Zerfällen bestimmter Quarksysteme nachgewiesen, wofür die theoretischen Grundlagen in der berühmten CKMM Tricks
44:55 mathematisch beschrieben sind. Doch wenn theoretische Physikerinnen und Physiker diese bekannten Mechanismen in die Gleichungen der kosmologischen
45:02 Entwicklung einsetzen, erleben sie ein monumentales Scheitern. Die im Standardmodell bekannte Stärke der CP-Verletzung ist um viele
45:11 Zehnerpotenzen zu schwach, um den tatsächlich beobachteten Überschuss an Materie im Kosmos auch nur ansatzweise zu erklären.
45:19 Berechnungen auf Basis der bekannten Standardmodellparameter ergeben, dass die Materiedichte im heutigen Weltall praktisch null sein müsste. Nach den
45:28 bisher gesicherten Gesetzen der Teilchenphysik gäbe es im gesamten beobachbaren Raum nicht genügend gewöhnliche Materie, um auch nur eine
45:37 einzige winzige Galaxie zu formen, geschweige denn das lebendige funkelnde Universum, in dem wir existieren. Daraus ergibt sich eine unausweichliche
45:46 logische Schlussfolgerung. Es muss im Universum eine zusätzliche bislang völlig unentdeckte Quelle der CP-Verletzung geben. Irgendein noch
45:55 verborgener physikalischer Prozess. muss in den allerersten Phasen des Urknalls gewirkt haben, der tiefgreifende Asymmetrien zwischen Teilchen und
46:04 Antiteilchen etablierte und so der Materie zu ihrem dauerhaften Sieg verhalf. Genau hier schließt sich der Kreis zu
46:12 unserer scheinbar harmlosen Frage nach der Form des Elektrons. Wie wir in den vorangegangenen Betrachtungen gesehen haben, ist ein permanentes elektrisches
46:21 Depolmoment des Elektrons nicht einfach eine willkürliche geometrische Delle in einer mikroskopischen Ladungswolke. ist der unerbittliche mathematisch
46:30 unvermeidbare Fingerabdruck einer Verletzung der Zeitumkehrinvarianz und damit über das unerschütterliche CPTorem, der direkte Zeuge einer
46:39 massiven CP-Verletzung. Sollten moderne Experimente tatsächlich nachweisen können, dass das Elektron nicht absolut rund ist, sondern eine
46:48 messbare Asymmetrie entlang seiner Spinachse aufweißt, wäre dieses Signal von epochaut. Es wäre der greifbare experimentelle
46:57 Beweis dafür, dass im subatomaren Raum neue Wechselwirkungen existieren, die das Gleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie auf eine Weise verschieben,
47:06 die das Standardmodell nicht kennt. Theoretische Modelle jenseits des Standardmodells. Seien es bestimmte Varianten der
47:14 Supersymmetrie, Modelle mit erweiterten Hicksektoren oder Theorien über schwere rechtshändige Neutrinos, die in der sogenannten Leptogenese Rolle spielen,
47:24 sagen häufig voraus, dass dieselben hypothetischen Mechanismen, die im frühen Universum die Materie Antimaterie Asymmetrie erzeugten, auch heute noch im
47:33 virtuellen Schleier des Elektrons ihre Spuren hinterlassen müssen. In diesen Theorien verweben sich die Geschichte des gesamten Kosmos und die innere
47:41 Struktur des kleinsten Teilchens zu einer untrennbaren Einheit. Wenn damals in der unvorstellbaren Hitze der ersten Sekunde schwere hypothetische
47:51 Teilchen dafür sorgten, dass ein Milliardstel mehr Materie als Antimaterie übrig blieb, dann müssen dieses hypothetischen Felder auch heute
47:59 noch als flüchtige Quantenfluktuationen im Vakuum existieren. Und sie müssten, indem sie kurzzeitig mit dem Elektronwechselwirken, dessen
48:07 Ladungswolke minimal verzerren. Das Elektron wird auf diese Weise zu einem lebendigen dauerhaften Fossil des Urknalls.
48:17 Es trägt in seiner zarten, fast unmerklichen Asymmetrie möglicherweise die Nachricht darüber in sich, warum die große Selbstauslöschung der Materie vor
48:26 knapp 14 Milliarden Jahren unvollständig blieb. Jeder einzelne Mensch, jeder Planet und jeder leuchtende Stern bestündet demnach aus eben jenen übrig
48:36 gebliebenen Partikeln, deren Existenz durch die exakt gleiche Asymmetrie ermöglicht wurde, die sich im elektrischen Depolmoment des Elektrons
48:44 manifestieren könnte. Die Jagd nach der wahren Gestalt dieses Elementarteilichens ist daher keineswegs nur ein akademischer Wettstreit und
48:52 mikroskopische Präzisionsrekorde. Sie ist die Suche nach dem fundamentalen Ursprung unserer eigenen materiellen Wirklichkeit.
49:01 Wenn Physikerinnen und Physiker in hochkomplexen Laboratorien die Ladungsverteilung des Elektrons vermessen, blicken Sie gewissermaßen in
49:09 einen kosmischen Spiegel. Sie fragen das Teilchen, ob in seiner Form der geheimnisvolle Bauplan dafür verborgen liegt, warum es überhaupt ein
49:18 Universum voller Sterne, Welten und bewusster Wesen gibt, statt einer endlosen, dunklen und für immer schweigenden Lehre. Wenn theoretische
49:27 Überlegungen zu solch monumentalen Fragen führen, stellt sich unweigerlich die praktische Frage, wie lässt sich eine derart unvorstellbar winzige
49:36 Asymmetrie überhaupt im Labor nachweisen? Um die schiere Monstrosität dieser messtechnischen Herausforderung zu
49:43 begreifen, hilft ein drastischer Vergleich. Würde man ein einzelnes Elektron gedanklich so gewaltig vergrößern, dass es den gesamten
49:52 Durchmesser unseres Heimatplaneten Erde ausfüllt, dann entspreche die Funk Standardmodell vorhergesagte Abweichung von der perfekten Kugelgestalt einem
50:00 Ausmaß, das milliardenfach kleiner wäre als der Durchmisser eines einzelnen Atomkerns. Selbst die kühnsten hypothetischen
50:08 Erweiterungen des Standardmodells sagen eine Verformung voraus, die auf dieser Erdkugelskala nicht einmal der Dicke einer einzelnen Bakterie oder eines
50:17 winzigen Staubkorns auf der Kontinentalplatte gleich käme. Ein direktes Herangehen mit herkömmlichen Methoden der Mikroskopie oder mit
50:25 gewöhnlichen Teilchenstrahlen ist bei solchen Dimensionen von vorn herein zum Scheitern verurteilt. Ein freies Elektron im Labor gezielt mit äußeren
50:34 elektrischen Feldern zu manipulieren, birgt eine grundlegende physikalische Falle. Das Teilchen trägt eine unkompensierte negative elektrische
50:43 Ladung. Sobald man ein massives externes elektrisches Feld anlegt, um das hypothetische Depoloment zum Taumeln zu bringen, spürt die Gesamtladung eine
50:53 gewaltige Couonkraft. Das freie Elektron wird schlichtweg mit rasender Geschwindigkeit aus dem Beobachtungsbereich heraus katapultiert,
51:01 noch bevor ein Detektor auch nur das geringste Signal registrieren könnte. Um dieses fundamentale Hindernis zu umgehen, bedurfte es eines genialen
51:11 Paradigmenwechsels in der Präzisionsphysik. Statt freie Elektronen zu untersuchen, betten Forschne das Elektron in ein
51:18 hochkomplexes extrem schweres Molekül ein. Die Elektronen werden dadurch nicht mehr als isolierte Wanderer betrachtet, sondern als gebundene Zustände innerhalb
51:28 eines sorgfältig ausgewählten chemischen Systems. Hier kommen Moleküle wie Torium Monoxid oder Ionen wie Hafniumflorid ins Spiel.
51:39 Diese chemischen Verbindungen sind keine zufälligen Kandidaten, sondern wahre Meisterwerke der Natur für die Zwecke der Quantenmetologie.
51:47 Der Schlüssel liegt in den schweren Atomkernen. Sowohl Torium als auch Haffnium besitzen eine extrem hohe Ordnungszahl im
51:55 Periodensystem der Elemente. Ihre Kerne ballen eine gigantische positive Ladung auf engstem Raum zusammen. Wenn sich ein Valenzelektron in diesen
52:05 Molekülen aufhält, gerät es in den Bann dieser enormen Kernladung. Es wird durch die Colonanziehung derart stark in Richtung des schweren Kerns
52:14 beschleunigt, daß seine Bewegung relativistische Geschwindigkeiten erreicht. Durch diese relativistische Wechselwirkung im molekularen Verbund
52:22 entsteht ein Phänomen von atemberaubender Intensität, ein internes effektives elektrisches Feld, das die Valenzelektronen im Inneren des Moleküls
52:31 spüren. Während experimentelle Physiker im Labor mit herkömmlichen Hochspannungsquellen allenfalls elektrische Felder von einigen 10.000
52:40 oder 100.000 1000 Volt pro Zentuben können, bevor es zu verherenden Funkenüberschlägen und Durchschlägen im Vakuum kommt, erzeugt das Innere eines
52:49 polaren Torium Monoxidmoleküls ein internesches Feld von fast 80 Gavolt pro Zent. Das ist nahezu eine Million mal stärker als jedes makroskopische
53:01 Feld, das Menschenhand jemals im Labor stabil aufbauen könnte. Dieses gigantische molekulare Feld wirkt wie ein unvorstellbar starker Hebel. ein
53:10 quantenmechanisches Vergrößerungsglas, das eine winzige Asymmetrie der Ladungswolke dramatisch verstärkt. Wenn das Elektron tatsächlich ein
53:19 permanentes elektrisches Depol Moment besitzt, koppelt dieses Moment extrem stark an dieses gigantische interne Feld. Aus einer winzigen, an sich
53:28 unmessbaren Verschiebung wird plötzlich ein winziger, aber prinzipiell messbarer Energieunterschied zwischen verschiedenen Quantenzuständen des
53:36 Gesamtsystems. Zwei Forschungskollaborationen haben diese Technik zur Perfektion getrieben und die Grenzen des Messbaren neu
53:44 definiert. Die Eckme Kollaboration, ein Zusammenschluss von Spitzenforschern renommierter Institutionen wie Harvard und Yale sowie die Giller Gruppe an der
53:54 Universität von Colorado in Boulder. Beide Teams verfolgen komplementäre, technisch höchst anspruchsvolle Ansätze, um die Symmetrie der Elektronenwolke zu
54:03 prüfen. Die AKM Kollaboration nutzt für ihre Messungen einen kalten kontinuierlichen Molekularstrahl aus Torium Monoxid.
54:12 In einer ultrakalten Wagumkammer werden diese Moleküle mittels präziser Laserstrahlen erzeugt und auf Temperaturen nah dem absoluten Nullpunkt
54:21 abgekühlt. Wenn sich Moleküle nur noch langsam bewegen, verweihen sie länger im Messbereich, was die sogenannte Koherenzzeit, das Zeitfenster, in dem
54:31 Quanteneffekte ungestört beobachtet werden können, drastisch verlängert. Innerhalb dieses Strahls werden die Moleküle mit Hilfe schwacher externer
54:39 Felder polarisiert, um die Achsen der internen Gigoltfelder alle in eine einheitliche Richtung auszurichten. Anschließend versetzen hochentwickelte
54:49 Laserpulse die Spins der beteiligten Elektronen in eine quantenmechanische Superposition. Ein Zustand, in dem der Spin
54:57 gleichzeitig in zwei entgegengesetzte Richtungen orientiert ist. Die Forschenden lassen die Spins nun in diesem enormen internen Feld
55:05 präzidieren. Sie führen jene charakteristische Taumelbewegung aus, die wir bereits als Präzession kennengelernt haben. Nun
55:13 kehren die Experimentatoren die Ausrichtung des äußeren Feldes und damit die Orientierung des molekularen Systems um. Besitzt das Elektron ein permanentes
55:23 Depol Moment, verändert diese Umkehrung die Wechselwirkungsenergie mit dem internen Feld. In der einen Konfiguration taumelt der Spin minimal
55:32 schneller, in der umgekehrten Konfiguration minimal langsamer. Nach einer genau definierten Flugstrecke durch die Vakuumkammer ließ ein weiterer
55:41 hochsensibler Detektionslaser den finalen Spinzustand der Moleküle über polarisierte Fluoreszensignale aus. Aus dem winzigsten Phasenunterschied
55:50 zwischen den beiden Zuständen lässt sich unmittelbar ableiten, ob das Elektron eine messbare Ladungsasymmetrie aufweißt oder nicht.
55:58 Die Giller Kollaboration wählt einen alternativen, nicht minder brillianten Pfad. Sie nutzt keine neutralen Molekularstrahlen, sondern fängt
56:07 ionisierte Hafniumfluoridmoleküle in einer rotierenden Hochfrequenz Ionenfalle ein. Indem die Moleküle als Ionen in
56:15 elektromagnetischen Potenzialtöpfen gefangen gehalten werden, können die Wissenschaftler die Beobachtungszeit dramatisch ausdehnen, von wenigen
56:24 Millisekunden auf mehrere Sekunden. Eine längere Kohärenzzeit bedeutet nach den Gesetzen der Quantenmechanik eine noch feinere spektrale Auflösung, wodurch
56:34 selbst die schwächsten Frequenzverschiebungen mit unvergleichlicher Genauigkeit zu Tage treten. Die experimentelle Schwierigkeit
56:41 bei all diesen Unterfangen liegt jedoch nicht nur in der Signalverstärkung, sondern vor allem in der gnadenlosen Unterdrückung systematischer Fehler. In
56:49 diesen extremen Grenzbereichen der Physik kann jede noch so minimale Unvollkommenheit der Laborumgebung ein falsches Signal vortäuschen.
56:58 ein winziges, unbemerktes Restmagnetfeld der Erde, eine ungleichmäßige Erwärmung der Vakuumkammer. Winzige mechanische Vibrationen von Vakuumpunkumpen oder
57:08 Streulicht von Lasern können Frequenzverschiebungen erzeugen, die an Dipolmoment vortäuschen. Die Experimente erfordern daher massive Abschirmungen
57:17 aus speziellen magnetischen Legierungen, hochstabile Temperaturkontrollen bis auf tausend Kelvin und tausende Stunden akribischer Kontrollmessungen, bei denen
57:27 experimentelle Parameter bewusst variiert werden, um jeden noch so heimtürkischen Störeffekt aufzuspüren und zu eliminieren. Und was haben diese
57:36 monumentalen Messungen bisher ergeben? Das Resultat ist ebenso erstaunlich wie ernüchternd für all jene, die auf eine rasche Revolution gehofft hatten. Bis
57:44 zum heutigen Tag zeigen alle hochpräzisen Experimente, dass das elektrische Depolmoment des Elektrons mit überwältigender Genauigkeit
57:52 konsistent mit dem Wert null ist. Weder AKMe noch Giller konnten auch nur den Hauch einer messbaren Verformung nachweisen. Die Obergrenze für das
58:02 elektrische Depoloment des Elektrons wurde in den vergangenen Jahren immer weiter nach unten gedrückt, bis in den unvorstellbaren Bereich von 10 hoch -30
58:11 cm mal Elementarladung. Das bedeutet, wenn das Elektron eine Asymmetrie besitzt, dann ist diese Verformung nochmals um viele
58:20 Größenordnungen kleiner, als es die meisten gängigen spekulativen Modelle der neuen Physik ursprünglich vorausgesagt hatten. Dieses
58:28 experimentelle Nullergebnis ist jedoch keineswegs eine Niederlage der Wissenschaft. In der theoretischen Physik gleicht ein
58:35 solches Nullsignal einem unerbittlichen Schafft für hypothetische Theorien. Eine Null ist hier kein Mangel an Information. sondern ein scharfes
58:45 präzises Ausschlusskriterium. Jede neue strengere Obergrenze zwingt theoretische Modelle jenseits des Standardmodells in die Knie. Zahlreiche
58:54 elegante Varianten der Supersymmetrie, die in den vergangenen Jahrzehnten formuliert wurden, um die Vereinheitlichung der Naturkräfte zu
59:02 erklären, sagten für das Elektron ein relativ großes, rasch nachweisbares Deppolmoment voraus. Diese einfachsten symmetrischsten
59:12 Modelle sind durch die Messdaten von Ekmei und Giller nun mehr unwiderruflich experimentell widerlegt. Sie können in der Natur schlichtweg
59:20 nicht so existieren, wie sie einst auf dem Papier ersonnen wurden. Um die verbleibenden hypothetischen Theorien am Leben zu erhalten, müssen Theoretiker
59:29 nun zu immer komplexeren Modellen greifen. Sie müssen postulieren, dass die hypothetischen neuen Teilchen entweder noch viel massereicher sind,
59:38 als man ohnehin schon annahm, weit jenseits der direkten Reichweite selbst der stärksten irdischen Teilchenbeschleuniger
59:45 oder das fundamentale neue Symmetrien existieren, die das elektrische Depol Moment auf unvorhergesehene Weise unterdrücken. Das Standardmodell der
59:54 Teilchenphysik hat somit auch diese extrem harte Zerreißprobe mit beispielloser Eleganz überstanden. Seine Vorhersage, dass das Elektron nach den
1:00:03 Gesetzen der bisher bekannten Quantenwelt eine nahezu vollkommen unberührte, perfekte Kugelform bewahrt, steht wie eine uneinnehmbare Festung.
1:00:13 Und doch treibt gerade dieses Festhalten an der perfekten Symmetrie die Suche weiter voran. Denn je vollkommener das Elektron erscheint, desto drängender
1:00:21 wird die Frage, wo sich die Naturgesetze verbergen, die einst den Kosmos aus der Taufe gehoben und der Materie ihre Existenz geschenkt haben. Die Vermessung
1:00:31 des Elektrons ist weit mehr als ein technologischer Kraftakt im Nanokosmos. Sie ist der vielleicht schärfste Prüfstein für unser gesamtes Verständnis
1:00:39 vom Universum. In der vollkommen oder unvollkommen Rundheit dieses einzigen Teilchens kreuzen sich die Schicksale der modernen Wissenschaft,
1:00:50 das Rätsel des Urknalls, die Existenz unserer eigenen Materie und die Suche nach den Gesetzen einer neuen Physik. Auch wenn die Natur ihre tiefsten
1:01:01 Geheimnisse bisher hinter einer markellosen Symmetrie verbirgt, geht die akribische Jagd mit neuen Generationen von Experimenten unaufhaltsam weiter,
1:01:10 denn wahre wissenschaftliche Erkenntnis offenbart sich nicht immer durch plötzliche spektakuläre Paukenschläge, sondern oft durch die unerschütterliche
1:01:19 Geduld, das scheinbar vertraute, bis in die unendliche Tiefe zu hinterfragen. In jeder winzigen Schwingung des Quantenvakuums, das uns umgibt,
1:01:28 schlummert vielleicht schon die Antwort auf die Frage, warum das Universum überhaupt existiert. verborgen in der vollendeten Stille eines einzigen
1:01:37 Elektrons.