Aus einer Sicht von oben ist ein das BASE-Experiment am Forschungszentrum CERN fotografiert.

Materie und Antimaterie im Vergleich

Kurz nach dem Urknall vor rund 13,8 Milliarden Jahren entstanden Materie und Antimaterie zu zunächst gleichen Anteilen, nur um sich kurz darauf fast komplett gegenseitig zu vernichten. Übrig blieb nur die Materie, aus der unsere Welt heute besteht. Das Standardmodell der Teilchenphysik sagt zwar eine perfekte Symmetrie von Materie und Antimaterie voraus, muss daher aber unvollständig sein. Welt der Physik sprach mit Klaus Blaum vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg über den Unterschied zwischen Materie und Antimaterie, den Forscher unter anderem im BASE-Experiment am Forschungszentrum CERN aufspüren wollen.

Die Welt um uns herum – einschließlich uns – besteht aus Materie. Die Atome setzen sich aus Protonen, Neutronen und Elektronen zusammen. Zu jedem dieser Teilchen gibt es ein Gegenstück, Antiteilchen genannt. Die Antiteilchen gleichen der Materie in jeder Hinsicht – nur ihre elektrische Ladung ist genau umgekehrt. So entspricht dem negativ geladenen Elektron das positiv geladene Positron, dem positiv geladenen Proton das negativ geladene Antiproton. Aber auch für elektrisch neutrale Teilchen wie dem Neutron gibt es entsprechende Antiteilchen. Hier macht sich der Unterschied in den Ladungen der Quarks bemerkbar, also jenen Elementarteilchen, aus denen sich die Neutronen zusammensetzen.

Ein Portraitfoto von Klaus Blaum vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg
Klaus Blaum vom Max-Planck-Institut für Kernphysik

Klaus Blaum: „Das Neutron besteht aus einem Up-Quark mit der Ladung zwei Drittel sowie zwei Down-Quarks mit jeweils der Ladung minus ein Drittel. Das ergibt dann die Ladung null, es ist also elektrisch neutral. Beim Antineutron hingegen hat man ein Up-Quer-Quark mit minus zwei Drittel Ladung sowie zwei Down-Quer-Quarks mit plus ein Drittel Ladung, sodass es letztendlich auch ladungsneutral ist. Auch zu den neutralen Teilchen gibt es also die entsprechenden Antiteilchen.“

Der britische Physiker und Nobelpreisträger Paul Dirac kam in den 1920er-Jahren der Antimaterie als Erster auf die Spur – wenn auch eher zufällig. Paul Dirac beschäftigte sich damals mit einer mathematischen Gleichung, die das Verhalten des Elektrons beschreibt. Er fand heraus, dass diese Gleichung nicht nur eine, sondern zwei Lösungen hat.

„Dirac hat eine positive und eine negative Lösung gefunden. Die positive Lösung wurde als eine Lösung für die Beschreibung von Teilchen und Teilcheneigenschaften interpretiert. Die andere Lösung hat er damals – aus meiner Sicht revolutionär – als die Lösung einer anderen Teilchenart vorhergesagt, und zwar die der Antiteilchen.“

Bereits wenige Jahre später konnte das von Dirac vorhergesagte Positron in Experimenten nachgewiesen werden. Es tritt nicht nur in der kosmischen Strahlung auf, die aus den Tiefen des Weltraums auf die Erdatmosphäre trifft, sondern auch bei gewissen radioaktiven Zerfällen. Prinzipiell spricht nichts dagegen, dass chemische Elemente komplett aus Antimaterie bestehen: Antinatrium vielleicht, oder Antigold. Im Labor ist allerdings selbst die Erzeugung des zweitleichtesten chemischen Elements extrem aufwendig.

„Das schwerste System, das man bislang erzeugt hat – unter anderem in Experimenten, die am LHC stattgefunden haben –, ist Antihelium. Antihelium besteht aus zwei Antiprotonen und zwei Antineutronen im Kern. Schwerere Systeme verlangen so hohe Produktionsraten, oder so hohe Energien, dass sie nicht realistisch sind.“

Physiker benutzen unter anderem den derzeit größten Teilchenbeschleuniger der Welt, den Large Hadron Collider, um winzige Mengen an Antihelium zu erzeugen. In der Natur entsteht Antimaterie nur in wenigen anderen Prozessen.

„Das bisschen, was wir noch an Antimaterie sehen, entsteht zum Beispiel durch radioaktive Zerfallsprozesse oder aber wenn hochenergetische Teilchen in Galaxien entstehen und dann auf die Atmosphäre treffen und dabei exotische Antiteilchen erzeugen.“

Aus einer Sicht von oben ist ein das BASE-Experiment am Forschungszentrum CERN fotografiert.
Das BASE-Experiment am Forschungszentrum CERN

Ein Universum fast ausschließlich aus Materie – daran stört Forscher, dass im Zuge des Urknalls vor rund 13,8 Milliarden Jahren Materie und Antimaterie zu genau gleichen Anteilen entstanden sein müssen. Treffen Teilchen und Antiteilchen allerdings aufeinander, vernichten sie sich gegenseitig – übrig bleibt nur ihre Energie in Form von Strahlung. Somit hätten sich Materie und Antimaterie kurz nach dem Urknall gegenseitig komplett vernichten sollen. Aus bislang unbekanntem Grund ist dabei offensichtlich nicht alle Materie restlos verschwunden. Dieser sogenannte Prozess der Baryogenese beschäftigt Forscher, denn theoretisch sollten Materie und Antimaterie völlig gleich sein.

„Unser Standardmodell sagt, dass die Teilcheneigenschaften gleich der Antiteilcheneigenschaften sind. Damit geht die sogenannte CPT-Symmetrie einher. C steht für das englische Charge – die Ladung –, p für Parity – der Ort – und t für time – Zeit. Das heißt, wenn ich die Wellenfunktion eines Teilchens unter der Transformation CPT ablaufen lasse, bekomme ich das Antiteilchen mit identischen Eigenschaften heraus. So ist unser aktuelles Verständnis vom Standardmodell. Die Theorie besagt, dass die Eigenschaften von Teilchen und Antiteilchen identisch sind.“

Die Theorie kann also nicht ganz stimmen, oder ist zumindest unvollständig. Es muss eine Brechung der CPT-Symmetrie geben, einen winzigen Unterschied zwischen Materie und Antimaterie, der dazu geführt hat, dass nach dem Urknall ein Rest an Materie zurückblieb. Physiker sind auf der Suche nach einer Erklärung. In Präzisionsexperimenten vergleichen sie die Eigenschaften von Materie und Antimaterie. Klaus Blaum und seine Kollegen nutzen dafür das sogenannte BASE-Experiment am Forschungszentrum CERN.

„Wir beschäftigen uns aktuell ausschließlich mit der Überprüfung der Grundzustandseigenschaften von Materie und Antimaterie, in dem Fall sogar von geladener Materie und Antimaterie – wir untersuchen also Protonen und Antiprotonen.“

Zunächst überprüften die Wissenschaftler, ob sich Proton und Antiproton hinsichtlich ihrer Ladung und ihrer Masse unterscheiden.

„Das Verhältnis von Ladung zu Masse lässt sich über die Anzahl der Umläufe, die ein Proton oder ein Antiproton in einem starken Magnetfeld macht, bestimmen. Das kann man mit besonderen Technologien sehr genau messen und dann die Anzahl der Umläufe vergleichen. Das heißt, wir lassen diese Teilchen mehrere Hundert Millionen Mal umherlaufen, zählen die Anzahl der Umläufe für ein bestimmtes Zeitfenster und vergleichen die  Anzahl der Umläufe mit der der Antimaterie. Und so kann man herausfinden, ob eines der Teilchen etwas schwerer ist oder eine andere Ladung hat verglichen mit seinem Partner.“

Fotografie einer Penningfalle, ein längliches, kupferfarbenes Instrument mit Anschlüssen.
Penningfalle – das Herzstück des BASE-Experiments

Die Forscher fanden heraus, dass dieses Verhältnis genau übereinstimmt – und zwar bis auf die elfte Nachkommastelle genau. Analog dazu wäre eine einzige Fliege an Bord eines Flugzeuges mit einem Gewicht von mehreren Hundert Tonnen messbar. Derzeit ist das Ziel des BASE-Experiments, das magnetische Moment von Proton und Antiproton genau zu erfassen. Das magnetische Moment eines Teilchens kann man sich wie eine Art Stabmagnet vorstellen: Proton und Antiproton haben beide jeweils einen Nord- und einen Südpol.

„Die Frage ist, wie stark dieser Stabmagnet ist. Wir versuchen, diese Stärke zu vergleichen, und haben sie in einem Subexperiment von BASE ebenfalls weltweit am genauesten vermessen – auf 2 x 10-9 genau. Wir arbeiten auch da an einer Steigerung um eine Größenordnung beim Proton, wobei uns diese Messung bereits gelungen ist. Und das Gleiche versuchen wir jetzt auf das Antiproton umzusetzen, um letztendlich die magnetischen Eigenschaften – also wie stark ist der Stabmagnet im Fall von Proton und vom Antiproton – vergleichen zu können.“

Zwar deutet die Theorie darauf hin, dass sich der Unterschied zwischen Materie und Antimaterie in den magnetischen Eigenschaften wie etwa dem magnetischen Moment bemerkbar machen könnte – aber wie groß oder klein dieser Unterschied sein sollte, lässt sich theoretisch nicht abschätzen. Und somit bleibt den Forschern nichts anderes übrig, als die Genauigkeit ihrer Messungen fortlaufend zu verbessern – die Experimente zur Bestimmung des magnetischen Moments des Antiprotons laufen derzeit noch.