Antiwasserstoff

Antiwasserstoff in der Falle

Im ASACUSA-Projekt am CERN suchen Forscher um Yasunori Yamazaki vom japanischen Forschungszentrum RIKEN nach den Unterschieden zwischen Materie und Antimaterie. Philipp Hummel sprach für unseren Podcast mit dem Physiker. Hier finden Sie den Beitrag zum Nachlesen.

Yasunori Yamazaki: „Wie man weiß gab es vor 13,7 Milliarden Jahren den Urknall und man nimmt an, dass es im frühen Universum nur Strahlung gegeben hat. Diese hat sich beim Abkühlen in Materie umgewandelt. Nach den gängigen physikalischen Theorien entstehen immer gleiche Anteile von Materie und Antimaterie. Wenn man sich aber unser Universum anschaut, findet man nur Materie. Es ist voll mit Materie, aber es gibt keine Antimaterie. Verschiedene Gründe stehen dabei zur Diskussion.“

Yasunori Yamazaki
Yasunori Yamazaki

Yasunori Yamazaki vom japanischen Forschungszentrum RIKEN leitet das ASACUSA-Antimaterie-Projekt am CERN. Antimaterie und Materie haben nach aktuellem Kenntnisstand fast identische Eigenschaften. Lediglich in der Ladung unterscheiden sie sich voneinander. Ein Elektron zum Beispiel ist negativ geladen, sein Antiteilchen, das Positron, trägt eine gleich große, aber positive Ladung. Warum aber ist in unserem Universum nur gewöhnliche Materie zu finden? Eine mögliche Ursache könnte die Verletzung des sogenannten CPT-Theorems sein. Dieses fundamentale Gesetz der Physik besagt, dass jeder physikalische Prozess, bei dem Materie und Antimaterie ausgetauscht werden und der gleichzeitig spiegelbildlich und zeitumgekehrt abläuft, ebenfalls möglich ist.

„Sofern das CPT-Theorem verletzt ist, sagt die Theorie unterschiedliche Eigenschaften für Materie und Antimaterie voraus. Falls das Theorem aber erhalten bleibt, sollten sich die beiden Materiearten gleich verhalten: Masse, spektroskopische Eigenschaften, Ladung, magnetisches Moment, die Lebensdauer – sie alle sollten den gleichen Betrag haben.“

Im ASACUSA-Experiment am Forschungszentrum CERN wollen die Forscher um Yamazaki nach möglichen Unterschieden zwischen Materie und Antimaterie suchen. Dabei nehmen sie sich zunächst das einfachste aller Atome vor: Wasserstoff beziehungsweise Antiwasserstoff. Der Kern besteht hier aus einem Proton beziehungsweise Antiproton, die Hülle aus einem Elektron beziehungsweise Positron. 

„Das Gute an Antiwasserstoff ist, dass die Eigenschaften des Wasserstoffs sehr genau bekannt sind; für einige spektroskopische Details bis auf einen Faktor von 10-15 – das ist eine sehr, sehr hohe Präzision. Sobald wir also die Eigenschaften von Antiwasserstoff kennen, können wir sie mit denen von Wasserstoff vergleichen."

Wenn Antiwasserstoff andere Eigenschaften hätte als gewöhnlicher Wasserstoff, geriete das Standardmodell der Elementarteilchen in Bedrängnis. 

„Das ist eine sehr ernste Angelegenheit. Wenn das geschieht, müssen die Theoretiker das gesamte Modell neu formulieren.“

Eine Halle mit vielen etwa mannshohen Metallgehäusen, Kabeln, und Leitungen, die zur Produktion von Antiwasserstoff miteinander verbunden sind.
Experimentierhalle des ASACUSA-Projekts

Während Wasserstoff leicht zu beschaffen ist, müssen die Forscher den Antiwasserstoff erst aufwendig herstellen. Sie beginnen mit den beiden Bestandteilen der Antimaterieatome, also negativ geladenen Antiprotonen und Positronen mit positiver Ladung. 

„Am CERN in Genf werden Antiprotonen hergestellt. Dort lenken die Forscher einen sehr energiereichen Strahl von Protonen in eine Probe aus Iridium. Bei sehr hohen Energien entstehen so Antiprotonen und Protonen. Dann fangen die Forscher die Antiprotonen ein und lenken sie in einen Ring, wo die Teilchen gekühlt und abgebremst werden. Die Positronen stammen aus einem radioaktiven Atomkern. In unserem Fall ist das Natrium-22, das ebenfalls sehr energiereiche Positronen abstrahlt. Wir kühlen diese Positronen und fangen sie ebenfalls ein. Schließlich haben wir dann kalte Antiprotonen und Positronen.“

Nun bedarf es eines äußerst seltenen Ereignisses, um die kalten Antiprotonen und Positronen zu einem Antiwasserstoffatom zu verbinden: Ein Antiproton und zwei Positronen müssen genau gleichzeitig zusammenstoßen.

“Man braucht eine hohe Positronendichte, um eine gleichzeitige Kollision zu ermöglichen. Sobald man diese Dichte erreicht hat, stoßen zwei Positronen im Feld eines Antiprotons zusammen. Dabei verliert ein Positron Energie, während das andere Energie gewinnt. Das Positron, das Energie verliert, bindet sich an das Antiproton. Das zweite Positron nimmt die überschüssige Energie auf. Das nennt man eine Drei-Teilchen-Rekombination.“

Im vergangenen Jahr ist es einer anderen Forschergruppe am CERN auf diese Weise gelungen über dreihundert Antiwasserstoffatome zu erzeugen und für mehr als 16 Minuten in einer sogenannten Atomfalle zu speichern. Yamazaki und sein Team wollen ihre Antimaterie ebenfalls in einer Atomfalle speichern, um sie anschließend mithilfe von Mikrowellen zu bestrahlen und das emittierte Lichtspektrum zu analysieren. Dabei machen sich die Forscher die magnetischen Eigenschaften der Partikel zunutze.

Zeichnung des ASACUSA-Experiments: Positronen und Antiprotonen werden in zwei separaten Behältnissen gesammelt, bevor sie durch Rohre zu einer Atomfalle gelangen. Dort verbinden sie sich zu Antiwasserstoff. Am Ende des Aufbaus weist ein Detektor den Antiwasserstoff nach.
Schema des ASACUSA-Experiments

„Positron und Antiproton kann man als winzige Magnete auffassen. Es entsteht eine Energiedifferenz, je nachdem, ob ihr magnetisches Moment parallel oder antiparallel zueinander ausgerichtet ist – das nennt man Hyperfein-Übergang. Man kann diesen Hyperfein-Übergang messen und mit dem von Wasserstoff vergleichen. Aber das Magnetfeld einer normalen Atomfalle würde diesen Übergang stören. Wir müssen also den Antiwasserstoff in ein feldfreies Gebiet bringen.“

Im Augenblick arbeiten Yamazaki und sein Team daran, genügend Antiwasserstoff für eine spektroskopische Analyse zu erzeugen, um ihn schließlich in einem Bereich ihrer Falle zu untersuchen, der frei von Magnetfeldern ist. 

“Sobald wir genügend Antiwasserstoff haben, sind wir im Geschäft. Wir hatten eigentlich schon im vergangenen Jahr mehr Antiwasserstoff erwartet. Aber aus irgendeinem Grund ist uns das nicht gelungen. Im Moment glauben wir, dass es an der Kontrolle der Antiprotonen in unserer speziellen Falle liegt. Die Magnetfeldverteilung darin ist komplizierter als in einer gewöhnlichen Falle. Wir haben aber das Problem angepackt und hoffen, dass die Produktionsrate in diesem Jahr höher sein wird als im vergangenen.“

 

Update

Mittlerweile ist es den Wissenschaftlern gelungen, achtzig Antiwasserstoffatome durch die Kombination von jeweils einem Antiproton und einem Positron herzustellen und diese noch 2,7 Meter von ihrem Entstehungsort entfernt nachzuweisen. Darüber berichten sie in ihrem Artikel A source of antihydrogen for in-flight hyperfine spectroscopy, der am 21. Januar 2014 im Fachblatt Nature Communications veröffentlicht wurde.