Elementarteilchenphysik

Antimaterie auf der Waage

Von Rainer Scharf
05.09.2015
, 19:00
Die Spuren von Materie- und Antimaterieteilchen in einem Blasenkammerexperiment
Ein fundamentales Symmetrieprinzip steht auf dem Prüfstand: Präzisionsexperiment fahndet nach dem kleinen Unterschied zwischen Protonen und Antiprotonen.
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Warum enthält das Universum so gut wie keine Antimaterie? Wieso wird normale Materie so eindeutig bevorzugt, obwohl beim Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren Teilchen und Antiteilchen in gleichem Mengenverhältnis entstanden sein sollten? Schlüssige Antworten auf diese grundlegenden Fragen sind die Physiker bisher schuldig geblieben. Mit einem Präzisionsexperiment wollen Wissenschaftler des europäischen Forschungszentrums Cern bei Genf herausfinden, worin der Unterschied zwischen Materie und Antimaterie besteht, der zu diesem kosmischen Ungleichgewicht geführt hat. In einem ersten Schritt haben sie nun die Masse von Protonen und Antiprotonen präzise vermessen.

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Glaubt man dem Standardmodell der Elementarteilchenphysik, so sind Materie und Antimaterie völlig gleichwertig. Zu jedem Teilchen - ob Elektron, Proton oder Neutron - existiert ein Antiteilchen, das die entgegengesetzte elektrische Ladung trägt, aber sonst im Wesentlichen dieselben physikalischen Eigenschaften besitzt. So unterscheidet sich das negativ geladene Elektron von seinem Antiteilchen, dem positiv geladenen Positron, nur durch das Ladungsvorzeichen, es hat aber zum Beispiel dieselbe Masse.

Bewährte Symmetrie verletzt?

Dahinter steckt ein fundamentaler physikalischer Grundsatz, den die Physiker als CPT-Theorem bezeichnen. Danach darf sich das Ergebnis eines Experiments nicht ändern, wenn man ein Teilchen durch sein Antiteilchen ersetzt, indem man die Ladung umpolt (C), zudem den Raum spiegelt (P) und die Zeitrichtung umkehrt (T). Ein Materieteilchen verhält sich bei einer Kollision mit anderen Partikeln also in gewisser Hinsicht wie das zu ihm gehörende Antiteilchen und hat im Wesentlichen dieselben Eigenschaften wie dieses.

Das CPT-Theorem ist eine direkte Konsequenz aus der gleichzeitigen Gültigkeit der Quantentheorie und der Speziellen Relativitätstheorie Einsteins. Würde man eine wenn auch noch so kleine „Verletzung“ dieses Grundsatzes beobachten, etwa dass ein Teilchen und sein Antiteilchen unterschiedliche Masse besitzen, dann hätte dies weitreichende Konsequenzen. So würde eine der Grundannahmen der Relativitätstheorie in Frage gestellt, dass nämlich für alle gleichförmig zueinander bewegten Beobachter dieselben physikalischen Gesetze gelten müssen. Bisher haben ungezählte Experimente, wie sie mit dem Large Hadron Collider (LHC) am Cern ausgeführt wurden, die Vorhersagen des CPT-Theorems eindrucksvoll bestätigt. Das sind gute Gründe, an ihm nach Möglichkeit festzuhalten.

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Fabrik für Antiprotonen

Doch inzwischen halten es viele Physiker für denkbar, dass das Theorem nicht streng gilt und seine „Verletzung“ dafür verantwortlich sein könnte, dass die Antimaterie im Universum verschwunden ist. Um die Gültigkeit des Grundprinzips zu testen, sucht man nach winzigen Unterschieden in den Eigenschaften bestimmter Teilchen und ihrer Antiteilchen, indem man diese immer präziser vermisst. Während man Materieteilchen wie Elektronen oder Protonen sofort einer Messung unterziehen kann, muss man Antimaterieteilchen allerdings zunächst erzeugen.

Die Antiprotonen-Bremsanlage am europäischen Forschungszentrum Cern
Die Antiprotonen-Bremsanlage am europäischen Forschungszentrum Cern Bild: Cern

Die Wissenschaftler des Cern stellen Antiprotonen dadurch her, dass sie energiereiche Wasserstoffkerne auf eine Kupferplatte prallen lassen. In Folge der freiwerdenden Energie entstehen Paare von Protonen und Antiprotonen. Diese werden dann abgebremst und zu ihrem Bestimmungsort geführt. Auf ihrem Weg dürfen die Antiprotonen nicht mit normaler Materie in Kontakt kommen, da dies zu ihrer Vernichtung führen würde.

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Mit einem Experiment, das an die Antiprotonen-Quelle des Cern angeschlossen ist, haben Stefan Ulmer vom japanischen Forschungsinstitut Riken und seine Kollegen aus Deutschland, Japan und der Schweiz die Massen des Protons und des Antiprotons mit bisher unerreichter Genauigkeit gemessen und miteinander verglichen. Dazu wurden immer abwechselnd ein negatives Antiproton und ein ebenfalls negativ geladenes Wasserstoffatom, bestehend aus einem Proton und zwei Elektronen, in eine Penning-Falle gebracht.

Schema der verwendeten Penningfalle: Antiprotonen gelangen von links in die Falle. Einige 100 der Antiteilchen (violett) werden in der Vorratsfalle gespeichert. Ein Antiproton (rot) zirkuliert in der Messfalle, sodass sich sein Ladungs-Masse-Verhältnis bestimmen lässt.
Schema der verwendeten Penningfalle: Antiprotonen gelangen von links in die Falle. Einige 100 der Antiteilchen (violett) werden in der Vorratsfalle gespeichert. Ein Antiproton (rot) zirkuliert in der Messfalle, sodass sich sein Ladungs-Masse-Verhältnis bestimmen lässt. Bild: Fabienne Marcastel, Georg Schneider/BASE-Kollaborat

In dieser besonderen Ionenfalle kann ein einzelnes geladenes Teilchen mit elektrischen Feldern und einem starken Magnetfeld nahezu beliebig lange festgehalten und isoliert werden.

Antiprotonen in der Schwebe

Die negativ geladenen Antiprotonen bewegten sich um die magnetischen Feldlinien auf Kreisbahnen mit demselben Drehsinn. Dabei kreisten die einzelnen Partikel mit einer Frequenz, die direkt von der Stärke des Magnetfeldes sowie vom Verhältnis aus Ladung und Masse des Teilchens abhängt. Diese Zyklotronfrequenz bestimmten die Forscher mit supraleitenden Spulen, die sich in der Nähe des kreisenden Teilchens befanden. Die Ladung des Teilchens rief in den Spulen Wechselströme mit derselben Frequenz hervor, mit der es in der Falle kreiste.

Wie die Forscher in der Zeitschrift „Nature“ berichten, konnten sie die Messgenauigkeit verbessern, indem sie die Frequenzmessung im Laufe von 35 Tagen insgesamt 13 000 Mal - abwechselnd an Antiprotonen und an negativ geladenen Wasserstoffatomen - wiederholten. Die Bestimmung der Zyklotronfrequenz mit Protonen wäre ungleich schwieriger geworden, da diese aufgrund ihrer positiven Ladung im Magnetfeld in entgegengesetzter Richtung gekreist wären, was einem anderen Versuchsaufbau entsprochen hätte.

Etwa 20 Zentimeter lang ist die Penningfalle, in der Forscher des Base-Projektes Hydridionen und Antiprotonen fangen und mit 30 Millionen Umläufen pro Sekunde auf einer Kreisbahn rotieren lassen. Aus dem genauen Wert der Umlauffrequenz ermitteln sie die Massen des Protons und des Antiprotons.
Etwa 20 Zentimeter lang ist die Penningfalle, in der Forscher des Base-Projektes Hydridionen und Antiprotonen fangen und mit 30 Millionen Umläufen pro Sekunde auf einer Kreisbahn rotieren lassen. Aus dem genauen Wert der Umlauffrequenz ermitteln sie die Massen des Protons und des Antiprotons. Bild: Georg Schneider, Base-Kollaboration

Das Masse-Ladungs-Verhältnis des Protons erhielten die Forscher schließlich dadurch, dass sie die Massen der beiden Elektronen und deren Bindungsenergien im Wasserstoffion berücksichtigten. Es zeigte sich, dass die absoluten Verhältnisse aus Ladung und Masse für das Proton und das Antiproton bis auf zehn Nachkommastellen miteinander übereinstimmten. Setzt man voraus, dass das Proton und das Antiproton bis auf das Vorzeichen dieselbe Ladung tragen, so stimmten ihre Massen ebenfalls auf zehn Nachkommastellen miteinander überein. Im Rahmen der erreichten Messgenauigkeit heißt das für die Forscher um Ulmer: Protonen und Antiprotonen haben tatsächlich dieselbe Masse.

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Beeinflusst die Schwerkraft die Antimaterie

Aus ihren Messergebnissen ziehen die Forscher noch weitere Schlüsse: Da sich während des Experiments im Laufe eines Tages die Bewegungsrichtung der Protonen und Antiprotonen im Zuge der Erdrotation änderte, nicht jedoch ihre Masse, hatte die Bewegung der Teilchen relativ zur kosmischen Hintergrundstrahlung, die das Universum erfüllt und so das Bezugssystem bildet, keinen merklichen Einfluss auf die Masse der Teilchen. Der zweite Schluss: Das CPT-Theorem beruht auf der Speziellen Relativitätstheorie, die Gravitationsfelder nicht berücksichtigt. Deshalb sollte die Massengleichheit von Proton und Antiproton zunächst nur außerhalb von Gravitationsfeldern gelten. Da sie aber den Messungen zufolge auch im Schwerefeld der Erde gilt, muss dieses auf die Protonen- und die Antiprotonenmasse in gleicher Weise wirken. Folglich macht die Schwerkraft keinen Unterschied zwischen Materie und Antimaterie.

Das scheint auch für die Kernkraft zu gelten, die zwischen den Protonen und ihren Bausteinen, den Quarks, wirkt. So haben Experimente mit dem „Large Hadron Collider“ am Cern gezeigt, dass der Atomkern des Isotops Helium-3, der aus zwei Protonen und einem Neutron besteht, dieselbe Masse hat wie der Kern des Antihelium-3, der sich aus zwei Antiprotonen und einem Antineutron zusammensetzt. In beiden Fällen hält die Kernkraft die drei Kernbausteine fest zusammen, was sich in der hohen Bindungsenergie zeigt. Diese Energie ist offenbar für den Antiheliumkern genauso groß wie für den Heliumkern, da sich deren Massen andernfalls unterscheiden müssten. Die in der Zeitschrift „Nature Physics“ (doi: 10.1038/nphys3432) veröffentlichten Ergebnisse sind indes längst nicht so präzise wie die des Antiprotonenexperiments. Das CPT-Theorem hat jedenfalls beide experimentellen Tests glänzend bestanden.

Quelle: F.A.Z.
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