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Atomphysik

Antimaterie auf dem Prüfstand

Von Manfred Lindinger
© Cern, Maximilien Brice, F.A.Z.

Bei der Vermessung von Antiwasserstoff haben Physiker des Alpha-Experiments am europäischen Forschungszentrum Cern bei Genf einen weiteren Erfolg erzielt. Jeffrey Hangst von der Aarhus University in Dänemark und seinen Kollegen ist es gelungen, die Übergangsfrequenzen zwischen zwei internen Zuständen mit Mikrowellen präzise zu messen und daraus eine wichtige Größe der Atomphysik abzuleiten, die sogenannte Hyperfeinstruktur-Aufspaltung im Grundzustand. Sie beträgt beim Antiwasserstoffatom 1420,4 Megahertz und hat im Rahmen der Messgenauigkeit den gleichen Wert wie beim Wasserstoff.

Damit scheinen Wasserstoff und Antiwasserstoff - trotz der umgekehrten elektrischen Ladung ihrer jeweiligen Bestandteile - auch spektroskopisch die gleichen physikalischen Eigenschaften aufzuweisen. Antiwasserstoff ist das leichteste und einfachste Element der Antimaterie. Er besteht aus einem negativ geladenen Antiproton als Kern und einen positiv geladenen Positron - dem Antiteilchen des Elektrons - als Hülle.

Penningfalle während des Zusammenbaus. Länge hundert  Zentimeter, Durchmesser: vier Zentijmeter
© Cern, F.A.Z.

Bei ihrem jüngsten Experiment haben die Physiker um Hangst unzählige Antiprotonen und Positronen in einer zylindrischen Ionenfalle zusammengeführt, wo diese sich zu einigen Antiwasserstoffatomen verbanden. Dann wurden diese leichtesten und einfachsten Atome der Antimaterie einem variablen Magnetfeld und dosierter Mikrowellenstrahlung ausgesetzt.

Wo ist die Antimaterie verblieben?

Je näher man mit der Mikrowellenfrequenz an die Resonanzfrequenz der internen Energiezustände vom Antiwasserstoff herankam, desto mehr Antiatome konnten die Ionenfalle verlassen. Sie wurden vom Fallenpotential nicht länger festgehalten. Trafen die Antiatome dann auf normale Materie zerstrahlten sie sofort. Im Resonanzfall befanden sich nur noch wenig Antiwasserstoff in der Falle.

Dass Wasserstoff und Antiwasserstoff offenkundig die gleiche Feinstrukturaufspaltung im Grundzustand besitzen, werten die Forscher des Alpha-Experiments als Indiz, dass hier eines der physikalischen Grundprinzipien erfüllt ist - das sogenannte CPT-Theorem. Es besagt, dass ein Prozess, bei der Zeitpfeil (T), elektrische Ladung (C) sowie rechts und links (P) vertauscht werden, weiterhin den Gesetzen der Physik gehorcht.

Die Präzisions-Experimente werden fortgesetzt. Man hofft mit höherer Genauigkeit doch noch einen winzigen Unterschied zwischen Wasserstoff und Antiwasserstoff zu finden. Damit könnte man erklären, warum unsere Welt ausschließlich aus Materie besteht, von Antimaterie aber weit und breit so gut wie keine Spur zu finden ist. Dabei soll laut theoretischer Modelle die Antimaterie kurz nach Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren im Universum genauso häufig vorhanden gewesen sein wie die uns bekannte Materie.

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Erfolg im Forschungszentrum Cern: Vermessung der Übergangsfrequenz gelingt
Quelle: F.A.Z.
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