Ein Elektron wiegen – oder wie man eine Mücke in einem A380 findet...

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Eine Penning-Falle zwingt das Kohlenstoffion auf einen Rennkurs

Um den C-12-Kern mit dem einzigen Elektron zu präparieren, schossen die Physiker dem Kohlenstoffatom fünf seiner sechs Elektronen weg. Das übrig gebliebene fünffach geladene Kohlenstoffion – der Kohlenstoffkern mit einem einzigen Elektron – schickten sie auf einen Rennkurs, den man sich stark vereinfacht als kreisförmig vorstellen kann. Eine sogenannte Penning-Falle zwingt mit ihrem extrem gleichmäßigen Magnetfeld das Kohlenstoffion auf diese Kreisbahn.

„Bei Präzisionsmessungen strebt man immer an, die Messgröße genau mitzählbar zu machen“, erklärt Blaum den Hintergedanken: „Bei einem Formel-1-Rennen auf einem Rundkurs können Zuschauer mitzählen, wie oft ein Rennwagen vorbei rast, und mit Hilfe der Streckenlänge daraus seine Geschwindigkeit abschätzen.“ So ähnlich funktioniert das in der Penning-Falle, wobei die Physiker in diesem Fall auch kleinste Bruchteile ganzer Umläufe messen konnten.

Beim zweiten Schritt, der nun zur Ermittlung der Elektronenmasse nötig war, hilft die Quantenmechanik. Elektronen besitzen einen „Spin“, und dieser macht sie zu einem winzigen Magneten. Im starken Magnetfeld einer Penning-Falle macht dieser Spin wie ein winziger Kreisel eine Präzessionsbewegung. Diese ist zwar extrem schnell, aber die Physiker konnten sie mit Tricks präzise erfassen.

Entscheidend dabei ist: Die Umlauffrequenz des Kohlenstoffions in der Falle und die Wackelfrequenz der Elektronenpräzession stehen in einem exakten Verhältnis. Wie ein Räderwerk verknüpft die Quantenmechanik auf diese Weise die Masse des Kohlenstoffions fest mit der Masse des Elektrons, die dadurch messbar wird.

Nur ein theoretischer Beitrag ermöglichte die Messung der Elektronemasse

Allerdings gab es in diesem Räderwerk ein bislang nicht allzu gut bekanntes „Zahnrad“. In der Physik heißt es g-Faktor oder gyromagnetischer Faktor. „Hier war die enge Zusammenarbeit mit Christoph Keitels Theoriegruppe an unserem Institut entscheidend“, erklärt Blaum. Basierend auf vorangegangenen Ergebnissen derselben Kollaboration konnten die Heidelberger Theoretiker um Gruppenleiter Zoltan Harman den g-Faktor genauer als je zuvor berechnen. Damit ermöglichten sie es, die Elektronenmasse exakt zu bestimmen.

Solche Präzisionsexperimente profitieren von Kooperationen mit Wissenschaftlern, die unterschiedliche Expertise einbringen. Physiker vom GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz lieferten wichtige Beiträge.

Das Ergebnis letzlich ist eine ungeheuer präzise Zahl: Das Elektron wiegt demnach ein 1836,15267377stel der Protonenmasse. Will man seine Masse in Kilogramm umrechnen, kommt man auf unvorstellbare knapp 10^-30 Kilogramm, also dreißig Nullen hinter dem Komma. Das Elektron ist wahrlich ein Leichtgewicht und spielt doch eine schwergewichtige Rolle in der Natur.

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