Physiker produzieren erstmalig Positronium-Moleküle

Amerikanischen Forschern ist es erstmals gelungen, Moleküle aus zwei Positronium-Atomen herzustellen. Als Positronium bezeichnen die Physiker Atome aus einem Elektron und einem Positron, dem positiv geladenen Antiteilchen des Elektrons. Die Existenz von Positronium-Molekülen war bereits vor über 60 Jahren vorhergesagt worden.

Riverside (USA) - Die Produktion von Positronium-Molekülen könnte zur Entwicklung von neuen Lasern im hochenergetischen Gammastrahlungsbereich führen, schreiben die Wissenschaftler im Fachblatt "Nature"

Die Gesetze der Physik zeigen eine Vielzahl von Symmetrien. So gibt es zu jedem Elementarteilchen ein Antiteilchen mit entgegengesetzter elektrischer Ladung: Dem positiv geladenen Proton steht das negative Antiproton gegenüber, dem negativ geladenen Elektron das positive Positron. Da positive und negative Teilchen sich anziehen, hatte der Physiker John Wheeler schon 1946 spekuliert, das Elektronen und Positronen gebundene Systeme bilden können: Positronium-Atome oder gar -Moleküle. 1951 gelang Martin Deutsch der Nachweis von Positronium-Atomen, doch nach Positronium-Molekülen hielten die Physiker bislang vergeblich Ausschau.

David Cassidy und Allen Mills von der University of California in Riverside gelang nun mit einem trickreichen Verfahren der Durchbruch. Zunächst sammelten die beiden Forscher 20 Millionen Positronen -- deren Herstellung inzwischen Routine ist -- in einer elektromagnetischen Falle. In einem nur eine Nanosekunde dauernden Puls schossen sie diese Positronen dann auf einen winzigen Punkt auf einem dünnen Film aus porösem Siliziumdioxid. Die Positronen verbanden sich mit Elektronen des Materials zu Positronium-Atomen. Ein kleiner Teil von ihnen -- rund 100.000 -- bildete an der Oberfläche der Hohlräume in dem Film anschließend Positronium-Moleküle.

Die Hohlräume in dem porösen Film spielen dabei eine wichtige Rolle, da sich die Positronium-Moleküle nur an der Oberfläche des Materials bilden können. Der Nachweis der Positronium-Moleküle gelang Cassidy und Mills über die Untersuchung der Temperaturabhängigkeit des Positronium-Zerfalls. Positronen und Elektronen vernichten sich nach kürzester Zeit gegenseitig unter Aussendung von Gammastrahlung. Durch die Bildung der Moleküle verzögert sich diese Paarvernichtung jedoch auf charakteristische, temperaturabhängige Weise.

Durch eine weitere Erhöhung der Positronendichte könnte sich mit dem Verfahren in dem Siliziumdioxid-Film ein neuer Materiezustand erzeugen lassen, so Cassidy und Mills. Das Positronium könnte dann ein so genanntes Bose-Einstein-Kondensat bilden und die bei der Paarvernichtung erzeugte Gammastrahlung kohärent aussenden. Ein solcher Gamma-Laser hätte eine extrem kurze Wellenlänge und könnte beispielsweise zur Untersuchung von Objekten genutzt werden, die im Größenbereich von Atomkernen liegen.