Die Ungeselligkeit der Elektronen ist nicht zu übertreffen

Pauli-Prinzip mit höchster Präzision getestet: Kein Widerspruch zum Ausschließungsprinzip

Von Rainer Scharf

Trotz ihrer großen Vielfalt lassen sich Atome, Atomkerne und Elementarteilchen in zwei streng getrennte Lager teilen: die Bosonen und die Fermionen. Die Bosonen, zu denen die Lichtteilchen oder auch Heliumatome gehören, sind gesellig und können sich in beliebig großer Zahl im selben Quantenzustand befinden. Fermionen wie das Elektron oder die Kernbausteine Proton und Neutron sind hingegen Einzelgänger. So sollten nach den Gesetzen der Quantenphysik niemals zwei oder mehr Elektronen im selben Quantenzustand sein. Dieses Ausschließungsprinzip, für dessen Aufstellung der österreichische Physiker Wolfgang Pauli 1945 den Physiknobelpreis erhalten hatte, ist jetzt mit großer Präzision überprüft worden.

Das Ausschließungsprinzip oder "Pauli-Verbot" hat weitreichende Konsequenzen - gleichermaßen für Atome wie für Neutronensterne. So können sich die Elektronen eines Atoms nicht alle in der Elektronenschale mit der niedrigsten Energie sammeln, sondern sie müssen die Elektronenschalen der Reihe nach auffüllen. Das hat zur Folge, daß die Atome je nach ihrer Elektronenzahl unterschiedliche chemische Eigenschaften haben. Wäre das Pauli-Verbot nicht streng gültig, so könnte ein Elektron, nachdem es in ein neutrales Atom eingedrungen ist, auf die Elektronenschale mit der niedrigsten Energie hinabfallen, obwohl diese schon von einem anderen Elektron besetzt ist. Dabei würde Röntgenstrahlung mit einer charakteristischen Wellenlänge abgegeben. Nach dieser Strahlung hat eine Gruppe von Forschern, die sich selbst VIP-Kollaboration ("Violation of the Pauli Exclusion Principle") nennt, bei einem Experiment in Frascati gesucht ("Physics Letters B", Bd. 641, S. 18).

Das Herzstück des Experiments war ein Hohlzylinder aus extrem reinem Kupfer, dessen Durchmesser und Höhe neun Zentimeter betrugen und dessen Wandung 50 Mikrometer dick war. Ihn umgaben 16 CCD-Dektoren - gewissermaßen elektronische Kameras für weiche Röntgenstrahlen. Sie hatten eine besonders hohe Empfindlichkeit für die Strahlung, die im Kupfer bei der Verletzung des Pauli-Verbots entstehen würde. Berechnungen zufolge sollte die Energie dieser Strahlung 7,5 Kiloelektronenvolt betragen und damit niedriger sein als die Energien der bekannten K-a- und K-b-Röntgenlinien des Kupfers.

Die Wissenschaftler registrierten zunächst etwa zehn Tage lang die vom Zylinder abgegebene Röntgenstrahlung, die von dessen natürlicher Radioaktivität stammt, aber auch die einfallende kosmische Strahlung spiegelt. Die Zahl der aufgefangenen Röntgenquanten wurde alle zehn Minuten gespeichert. Im zweiten Teil des Experiments ließen die Forscher einen elektrischen Strom von 40 Ampère durch den Zylinder fließen, und zwar für dieselbe Zeitdauer von etwa zehn Tagen, wobei sie wiederum das Röntgenspektrum aufnahmen. Der stetig fließende Strom sollte sicherstellen, daß den Atomen stets "frische" Elektronen zugeführt wurden, so daß man das Pauli-Verbot jedesmal neu testen konnte.

Der Unterschied zwischen den beiden Röntgenspektren mit beziehungsweise ohne Strom war so gering, daß es sich mit größter Wahrscheinlichkeit um statistische Schwankungen der kosmischen Strahlung und der Radioaktivität des Kupfers handelt. Angesichts der langen Beobachtungsdauer und der großen Zahl von Elektronen, die durch den Kupferzylinder geflossen waren, mußte die Verletzung des Pauli-Verbots ein äußerst unwahrscheinliches Ereignis sein. Nach den Berechnungen der Forscher ist die Wahrscheinlichkeit dafür, daß ein Elektron beim Eindringen in ein neutrales Kupferatom das Pauli-Verbot verletzt, kleiner als 4,510-28. Gegenüber früheren Messungen an der University of Maryland ist das eine Verringerung der Wahrscheinlichkeit um den Faktor 40.

Inzwischen hat die VIP-Kollaboration ihr Experiment im unterirdischen Laboratorium von Gran Sasso aufgebaut. Durch 1400 Meter dickes Felsgestein von der kosmischen Strahlung abgeschirmt, sollen die Röntgenmessungen mit und ohne elektrischen Strom jeweils ein Jahr lang ausgeführt werden. Die Forscher hoffen, auf diese Weise die Wahrscheinlichkeit für die Verletzung des Pauli-Verbots mit einer Genauigkeit von 10-31 testen zu können. Dann ließen sich auch physikalische Theorien experimentell überprüfen, die eine Verletzung des Pauli-Verbots erlauben und damit über die etablierte Physik hinausgehen.
 

Text: F.A.Z., 20.09.2006, Nr. 219 / Seite N1