Antiwasserstoff

Scharfer Blick in die Antiwelt

Von Jan Hattenbach
28.12.2016
, 22:05
Alpha-Experiment am europäischen Forschungszentrum Cern bei Genf
Nun ist auch das optische Spektrum von Antiwasserstoff präzise vermessen worden. Und alles scheint so zu sein wie beim natürlichen Pendant.
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Antimaterie hat in dieser Welt keine allzu große Zukunft. Trifft nämlich ein Antiteilchen mit einem Teilchen zusammen, zerstrahlen beide gegenseitig, und es bleibt nichts übrig als Energie. Am europäischen Forschungszentrum Cern bei Genf experimentieren Wissenschaftler des Alpha-Experiments indes seit vielen Jahren mit dem leichtesten und einfachsten Element des exotischen Stoffs, mit Antiwasserstoff. Sie suchen unter anderem nach winzigen Unterschieden zwischen Materie und Antimaterie, indem sie alle physikalischen Eigenschaften überprüfen. Jetzt ist es den Physikern um Jeffrey Hangst von der Aarhus University in Dänemark erstmals gelungen, auch die Energiezustände von Antiwasserstoff mit Laserstrahlung präzise zu vermessen.

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Antiwasserstoff besteht aus einem negativ geladenen Antiproton als Kern und einem positiv geladenen Positron - dem Antiteilchen des Elektrons - als Hülle. In der Natur kommen Antiatome nicht vor, was einerseits die Existenz unserer Welt erklärt. Andererseits ist das Fehlen von Antimaterie im Universum eines der größten Rätsel der Kosmologie. Beim Urknall hätten nämlich gleich große Mengen von Materie und Antimaterie entstehen müssen. Doch unser beobachtbares Universum scheint vollständig aus Materie zu bestehen. Einzig einige wenige Bestandteile der Antimaterie - Antiprotonen und Positronen - werden vereinzelt in der kosmischen Strahlung gefunden. Die Wissenschaftler glauben, dass diese Partikel Produkte von Kollisionen von Materieteilchen untereinander und somit erst nachträglich entstanden sind.

Antiwasserstoff vom Fließband

Der Nachweis schwererer Antiteilchen wie Antihelium im Universum würde dagegen einen Hinweis auf die Existenz von Antimaterie zu Zeiten des Urknalls liefern. Seit Jahren suchen spezielle Teilchendetektoren im Weltraum nach Antimaterie-Resten. Das größte derzeit in Betrieb befindliche Experiment dieser Art, das „Alpha Magnet Spektrometer“ (AMS) auf der Internationalen Raumstation, hat einige „Kandidaten“ für kosmisches Antihelium aufspüren können, wie der Nobelpreisträger Samual Ting kürzlich berichtete. Noch ist allerdings unklar, ob diese Teilchen tatsächlich real sind und welchen Ursprung sie haben.

Die einzigen bekannten Antiatome stammen bislang aus dem Labor. Zum ersten Mal war es Forschern 1995 gelungen, Antiwasserstoffatome zu synthetisieren - zunächst nur acht Stück und das nur für kurze Zeit. Die Wissenschaftler des Cern haben in den vergangenen zwei Jahrzehnten ihre Techniken so verfeinert, dass sie viele tausend Antiwasserstoffatome erzeugen und für ihre Experimente minutenlang zur Verfügung stellen können.

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Symmetrieprinzip bestätigt

Für ihre jüngste Untersuchung gewannen die Forscher um Hangst große Mengen an Positronen aus dem Zerfall eines radioaktiven Isotops und sperrten die Antiteilchen in eine zylindrische Penningfalle, in der sie von elektrischen und magnetischen Feldern festgehalten wurden. Die Antiprotonen lieferte ein Teilchenbeschleuniger. Nachdem die Forscher genügend Antiprotonen und Positronen gesammelt hatten, wurden diese langsam in der Mitte der Ionenfalle zusammengeführt.

Dort verband sich ein Bruchteil davon zu neutralen Antiwasserstoffatomen. Dabei mussten die Forscher äußerst behutsam vorgehen: Jeglicher Kontakt mit normaler Materie war zu vermeiden, die Wärmebewegung war so gering wie möglich zu halten, da die Antiatome sonst schnell wieder auseinandergebrochen wären. Mit einem Laserstrahl wurden die Antiatome anschließend angeregt. Dabei wurden die Positronen im Antiwasserstoff für Sekundenbruchteile aus dem Grundzustand in einen höheren Energiezustand befördert. Dass man die Resonanz getroffen hatte, konnten die Forscher daran sehen, dass die betreffenden Antiatome die Ionenfalle verließen. Wurde der Laser nur leicht verstimmt, geschah nichts.

Das vom Antiwasserstoff absorbierte Laserlicht besaß - im Rahmen einer Messgenauigkeit - exakt die gleiche Wellenlänge, wie man sie auch zur Anregung des bekannten „1S-2S-Zustands“ im normalen Wasserstoff benötigt. Die Ergebnisse würden, wie Hangst und seine Kollegen in der Zeitschrift „Nature“ berichten, eines der fundamentalen Prinzipien der modernen Physik, das sogenannte CPT-Theorem, bestätigen. Es besagt, dass ein Vorgang, bei dem Zeitrichtung, elektrische Ladung und rechts und links vertauscht werden, weiterhin den Gesetzen der Physik gehorcht. Wasserstoff und Antiwasserstoff sollten danach, trotz der umgekehrten elektrischen Ladung ihrer Bestandteile, exakt die gleichen physikalischen Eigenschaften aufweisen.

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Tatsächlich hat man bislang noch keine Diskrepanz zwischen Experiment und Theorie gefunden. Eine Abweichung wäre ein Hinweis auf die lang gesuchte „neue Physik“ jenseits des Standardmodells.

Quelle: F.A.Z.
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