Experimente mit Antiwasserstoff

Wasserstoff und Antiwasserstoff

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Das "gespiegelte" Paar Wasserstoff und Antiwasserstoff, aufgebaut aus Proton plus Elektron bzw. aus Antiproton plus Antielektron (Positron).

Drei Viertel der bekannten Materie des Universums bestehen aus Wasserstoff, dem einfachsten Element im Periodensystem: Wasserstoffatome sind aus einem Proton aufgebaut, das von einem Elektron umgeben ist (linker Teil der Abbildung). Untersuchungen an diesem einfachsten System der Elemente haben in den Naturwissenschaften zu grundlegenden Erkenntnissen geführt, wie beispielsweise zur Entwicklung des Bohr'schen Atommodells mit all seinen intellektuellen und technischen Folgen.

Im Jahr 1995 gelang es einer deutsch-italienischen Arbeitsgruppe unter der Leitung von Walter Oelert, eines Physikers vom Forschungszentrum Jülich, am CERN in Genf erstmals Antiwasserstoffatome zu beobachten. Dieses zum Wasserstoff spiegelsymmetrische System entsteht, indem sowohl das Proton durch ein Antiproton als auch das Elektron durch ein Antielektron (Positron) ausgetauscht wird. Arbeitsgruppen an verschiedenen Experimenten versuchen seitdem, die Eigenschaften von Antiwasserstoffatomen genau zu  bestimmen - in der Hoffnung, dabei ähnlich grundlegende Erkenntnisse zu erzielen, wie sie die Untersuchung von Wasserstoff geliefert hatte.

Erste Erzeugung von Antiwasserstoff

Das Kochrezept für die Herstellung von Antiwasserstoff ist im Grundsatz klar; man nehme Antiprotonen und Positronen, lasse beide miteinander reagieren und erzeuge auf diese Weise Antiwasserstoff. Da bei solchen Reaktionen aber Energie- und Impulserhaltung gleichzeitig erfüllt sein müssen, ist dafür ein dritter Reaktionspartner nötig, der die überschüssige Energie aufnimmt. Dieser Reaktionspartner kann beispielsweise ein Photon oder ein zusätzliches Elektron oder Positron sein (siehe Abbildungen).

Radiative Rekombination von Antiproton und Positron

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Einer der möglichen Produktionsprozesse von Antiwasserstoff: Bei der radiativen Rekombination entstehen aus einem Antiproton und einem Positron unter Aussendung eines Gammaquanten ein Antiwasserstoffatom und ein Photon.

Zusammenstoß von Antiproton und Positronium

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Einer der möglichen Produktionsprozesse von Antiwasserstoff: Bei Stößen von Antiprotonen mit einem Positronium, einem Elektron-Positron-Paar, bindet sich das Positron an das Antiproton, während das Elektron des Positroniums als freies Teilchen überschüssige Energie aufnimmt. Zum Schluss verbleiben ein Antiwasserstoffatom und ein Elektron.

Zusammenstoß von Anti- proton und zwei Positronen

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Einer der Produktionsprozesse von Antiwasserstoff: Bei Stößen zwischen einem Antiproton und zwei Positronen in überlagerten Fallen verbindet sich ein Positron mit dem Antiproton zum Antiwasserstoff. Das zweite Positron nimmt die überschüssige Energie mit.

Zusammenstoß von Antiproton und Xenon-Atom

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Einer der möglichen Produktionsprozesse von Antiwasserstoff: Diese Reaktion wurde für die erste Erzeugung von Antiwasserstoffatomen 1995 am CERN verwendet. Dazu wurden Antiprotonen mit hohen Energien auf Xenon-Atome geschossen. Im elektromagnetischen Feld des Atomkerns entsteht zunächst Gammastrahlung, die sich in ein Elektron-Positron-Paar aufspaltet. Mit einer kleinen Wahrscheinlichkeit kann das Antiproton das Positron einfangen, sodass ein Antiwasserstoffatom gebildet wird. Das Elektron verlässt die Wechselwirkungszone.

Die international besetzte Arbeitsgruppe, die 1995 in dem Experiment PS210 am CERN erstmals Antiwasserstoffatome beobachtete, ist allerdings einen anderen Weg gegangen, der in der Abbildung rechts unten skizziert ist. Dabei erzeugt das an einem schweren Kern streuende Antiproton sein Positron in der elektromagnetischen Wechselwirkung selbst. Mit einer kleinen, aber endlichen Wahrscheinlichkeit sind Antiproton und Positron nach dem Streuprozess im Impuls- und Ortsraum so dicht beieinander, dass sie eine Bindung zu einem Antiwasserstoffatom eingehen können.

Den im Speicherring LEAR (Low Energy Antiproton Ring) am CERN kreisenden Antiprotonen wurden dazu Xenon-Atome in den Weg gestellt. Findet keine Reaktion zwischen Antiproton und Xenon statt, so setzt das Antiproton seine Bahn im Ring fort, den es etwa eine Millionen Mal pro Sekunde umkreist. Findet eine andere, für die Herstellung von Antiwasserstoff uninteressante Reaktion statt - welchen Typs auch immer -, ist das Antiproton verloren. Wird aber ein neutrales Antiwasserstoffatom gebildet, so fliegt dieses in der nachfolgenden Kurve geradeaus aus dem Ring heraus. An dieser Stelle waren Detektoren aufgestellt, anhand derer die Antiwasserstoffatome nachgewiesen wurden.

Diese erste Beobachtung von Antiwasserstoffatomen erregte zwar weltweites öffentliches Interesse, war aber wissenschaftlich über den Nachweis der Existenz dieser seltenen Objekte hinaus nicht von ausnehmendem Gewicht, da die erzeugten Antimaterieatome zu schnell waren, als dass ihre Eigenschaften präzise untersucht werden konnten.

Vergleich von Wasserstoff und Antiwasserstoff

Zur genaueren Untersuchung der Eigenschaften von Antimaterieatomen wurden am AD-Teilchenbeschleuniger (dem Antiproton Decelerator) des CERN die Experimente ATHENA und ATRAP installiert. Die erste Hürde zur Vorbereitung dieser Experimente, die Synthese von Antiwasserstoffatomen, wurde bereits erfolgreich genommen. Die ATHENA-Kollaboration hat sich jedoch mittlerweile aufgelöst, ein Teil von ihr bildet nun die neue Arbeitsgruppe ALPHA. Entsprechend werden am CERN derzeit die beiden Experimente ALPHA und ATRAP zur vergleichenden Präzisionsspektroskopie von Antiwasserstoff und Wasserstoff vorbereitet. Beide Forscherteams hoffen, ab 2006 erste Daten nehmen zu können.

Erzeugung von Antiwasserstoff in Ruhe

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Die sieben Schritte zur Synthese von Antiwasserstoff: Zunächst werden Antiprotonen nach Durchgang durch eine Folie in einem Raum von hintereinander liegenden kreisförmigen Elektroden eingefangen, in denen in einer kleinen Potentialmulde zuvor Elektronen zentral gespeichert wurden. Die Antiprotonen laufen gegen eine Potentialwand, die sie nicht überqueren können, sondern an der sie umkehren müssen - wie eine Kugel, die einen Berg nur so weit heraufläuft, wie ihre kinetische Energie es ihr erlaubt. Während die Antiprotonen umkehren, wird die Eingangsseite der Elektroden geschlossen, indem eine gewisse Spannung angelegt wird. Die Antiprotonen laufen nun zwischen den beiden Enden der gebildeten großen Potentialmulde hin und her und fliegen dabei ständig durch die zentrale Wolke von Elektronen, in der sie nach und nach ihre Energie verlieren und langsamer werden. In der zentralen Potentialmulde sind bald Antiprotonen - die Kernbausteine von Antiwasserstoff - und Elektronen zusammen gespeichert. Die Elektronen werden dann aus dem Fallensystem entlassen. Das Problem bei der Herstellung von Antiwasserstoff besteht nun darin, dass seine beiden Bausteine, die Antiprotonen (mit negativer Ladung) und die Positronen (mit positiver Ladung), nicht in der gleichen Potentialmulde eingefangen werden können: Der eine Baustein braucht eine Potentialmulde in Talform, der andere in Form eines Hügel. Mit einer raffinierten Anordnung der Potentiale an den verschiedenen Elektroden gelingt es jedoch, eine überlagerte Anordnung herzustellen, die zentral Positronen festhält und in einem größeren umgebenden Bereich Antiprotonen speichert, sodass die beiden Bausteine des Antiwasserstoffs sich aufgrund ihrer Bewegung durchkreuzen - eine ideale Ausgangssituation, um Antiwasserstoff herzustellen.

Zur Herstellung von Antiwasserstoffatomen werden Antiprotonen mit Impulsen von 100 MeV/c aus dem AD-Beschleuniger eingefangen und mit Positronen zu Antiwasserstoffatomen rekombiniert (siehe Abbildung).

An erfolgreichen Tagen werden heute am CERN auf diese Art und Weise einige hunderttausend Antiwasserstoffatome produziert, die jedoch leider immer noch zu schnell fliegen, als dass man sie in einer magnetischen Falle einfangen könnte. Dies ist allerdings Voraussetzung, um ihre Eigenschaften genau zu vermessen. Wissenschaftler verschiedener Nationen arbeiten deshalb derzeit daran, die Antiwasserstoffatome noch "kälter", also mit noch geringeren Energien, herzustellen, um sie dann als physikalische Messobjekte zur Verfügung zu haben. Von besonderem Interesse ist bei den geplanten Untersuchungen die Frage, ob das Spektrum der Übergangsfrequenzen zwischen den einzelnen Energieniveaus von Antiwasserstoff dem Spektrum von Wasserstoff entspricht, oder auch, ob die von Materie auf Antiwasserstoff ausgeübte Gravitationskraft genauso stark ist wie auf Wasserstoff, ob also die Gravitation auf Antimaterie genauso wirkt wie auf Materie.

Mit diesen Experimenten geht die Antimaterieforschung in eine spannende Phase.