Linkshänder im Reich der Atome

Die Spiegelsymmetrie der Atome wird durch die schwache Wechselwirkung zwischen den Kernen und der Elektronenhülle gestört. Ytterbium zeigt diesen Effekt so deutlich wie kein anderes Atom.

Von Rainer Scharf

Lange Zeit glaubte man, dass es keine Rolle spielt, ob physikalische Prozesse links- oder rechtsherum ablaufen. Die Naturgesetze sollten stets das gleiche Ergebnis liefern. Diese Vorstellung wurde erschüttert, als 1957 die chinesisch-amerikanische Physikerin Chien- Shiung Wu beim radioaktiven Betazerfall von Atomkernen des radioaktiven Isotops Kobalt- 60 eine merkwürdige Asymmetrie beobachtete. Zeigten die Spins der Kerne in einem starken homogenen Magnetfeld in ein und dieselbe Richtung, so wurden die freigesetzten Elektronen überwiegend in die dem Spin entgegengesetzte R ichtung ausgesandt.

Der Befund war erstaunlich, hätte man bei einer perfekten Rechts-links-Symmetrie doch erwartet, dass genauso viele Elektronen in Richtung des Kernspins wie in Gegenrichtung emittiert würden. Für die Paritätsverletzung - so bezeichnen die Physiker die Verletzung der Rechts-links-Symmetrie - ist die schwache Wechselwirkung zwischen den Protonen und den Neutronen der Kobaltkerne verantwortlich. Von den drei anderen bekannten Kräften - der Schwerkraft, der elektromagnetischen und der starken Wechselwirkung - wird sie dagegen respektiert.

Dass die Paritätsverletzung sich auch bei Atomen bemerkbar macht, hatten erstmals amerikanische Forscher um Steven Chu im Jahr 1979 bei Thalliumatomen und drei Jahre später Marie-Anne Bouchiat und ihre französische Kollegen bei Cäsiumatomen nachgewiesen. Allerdings war der jeweils beobachtete Effekt recht schwach ausgeprägt. Jetzt haben Forscher von der University of California in Berkeley eine wesentlich stärkere Paritätsverletzung bei Ytterbiumatomen beobachtet.

Für die Verletzung der Rechts-links-Symmetrie der Atome sind vor allem die Neutronen im Atomkern verantwortlich, die mit den Elektronen der Hülle ständig sogenannte Z-Teilchen austauschen. Diese ungeladenen Teilchen sind die Übermittler der schwachen Kraft und haben damit eine ähnliche Funktion wie die Photonen, die Austauschteilchen der elektromagnetischen Kraft. Sie werden von den Neutronen und Elektronen gewissermaßen wie Bälle hin und her geworfen. Dabei haben sie die Eigenart, dass sie dem Ballspiel eine bevorzugte Richtung geben und auf diese Weise der Elektronenhülle - und damit dem ganzen Atom - eine Rechts-links-Asymmetrie verleihen.

Die schwache Wechselwirkung ist im Vergleich zur elektromagnetischen Kraft außerordentlich schwach. Deshalb ruft sie in den Atomen schwache Asymmetrieeffekte hervor, die nur mit ausgeklügelten Verfahren nachgewiesen werden können. Dazu benutzt man üblicherweise sogenannte verbotene Übergänge zwischen zwei elektronischen Zuständen im Atom. Solche atomaren Übergänge wären normalerweise nicht möglich, würde es die schwache Wechselwirkung nicht geben.

Die Forscher um Dmitry Budker haben für den Nachweis der paritätsverletzenden Prozesse solch verbotene Übergänge in Ytterbium angeregt und das Verhalten der Atome beobachtet. Frühere Berechnungen ließen vermuten, dass beim Ytterbium die Verletzung der Rechts-links-Symmetrie ungewöhnlich stark ausfallen würde. Budker und seine Kollegen bestrahlten das Isotop Ytterbium-174 mit blauem Laserlicht, dessen Energie auf einen verbotenen Übergang abgestimmt war. Um den Atomen den "unerlaubten" Übergang zu erleichtern, wurde ihnen zusätzlich mit einem asymmetrischen und oszillierenden elektrischen Feld eine künstliche Händigkeit aufgeprägt. Diese verstärkte die Wirkung der natürlichen, durch die schwache Wechselwirkung hervorgerufene Paritätsverletzung.

Den Forschern gelang es dadurch, recht häufig die Atome anzuregen - und zwar im Gleichtakt mit dem oszillierenden elektrischen Feld. Waren die Atome im angeregten Zustand angelangt, so gaben sie umgehend einen Teil ihrer Anregungsenergie in Form von Photonen wieder ab, indem sie sich über einen "erlaubten" Übergang abregten. Auf diese Weise haben die Forscher gezeigt, dass die schwache Wechselwirkung die Rechts-links- Symmetrie bei Ytterbiumatomen etwa hundertmal so stark stört wie bei Cäsiumatomen ("Physical Review Letters", Bd. 103, S. 071601). Weil die Paritätsverletzung bei Ytterbiumatomen so stark wie bei keiner anderen bisher untersuchten Atomsorte ausfällt, könnte man sie daher scherzhaft auch als die stärksten Linkshänder im Reich der Atome bezeichnen.

Das Ausmaß der Paritätsverletzung ermöglicht es, die Eigenschaften der schwachen Wechselwirkung zu untersuchen, wie sie vom Standardmodell der Elementarteilchenphysik beschrieben werden. So kann man die Vorhersagen dieses Modells mit Verfahren der Atomphysik und damit ohne Zuhilfenahme von großen Teilchenbeschleunigern testen. Darüber hinaus liefert die beobachtete Symmetrieverletzung auch Informationen über die Verteilung der Neutronen im Atomkern. Die Z-Teilchen, die die Neutronen und die Elektronen austauschen, haben nur eine Reichweite von einem Tausendstel des Neutronendurchmessers. Deshalb tragen zur Verletzung der atomaren Rechts-links- Symmetrie nur Neutronen an der Kernoberfläche und Elektronen in den inneren, kernnahen Elektronenschalen bei. Vergleicht man die Stärke der Symmetrieverletzung für die verschiedenen Isotope des Ytterbiums, die sich durch eine zunehmende Zahl von Neutronen im Kern unterscheiden, so kannt man erschließen, wie sich die hinzukommenden Neutronen auf der Kernoberfläche verteilen.

Text: F.A.Z., 16.09.2009, Nr. 215 / Seite N2