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Antiwasserstoff in Hülle und Fülle

Langsame Positronen und Antiprotonen behutsam vereinigt

Von Rainer Scharf

Der Antimaterie ist in der Welt der normalen Materie keine große Zukunft beschieden. Wenn nämlich ein Teilchen mit seinem Antiteilchen zusammentrifft, vernichten sie sich gegenseitig in einem Lichtblitz. Außer Energie bleibt von den beiden Partikeln nichts übrig. Das Universum ist zwar voll von Elektronen, Protonen und Neutronen, glücklicherweise sind deren Antiteilchen aber äußerst rar. Noch immer wird über die Ursache für diesen Materieüberschuß gerätselt, der kurz nach dem Urknall vor rund 15 Milliarden Jahren entstanden ist. Am europäischen Zentrum für Elementarteilchenforschung (Cern) bei Genf will man die Ursache für den Überschuß in Kürze ergründen. In einem ersten Schritt ist es jetzt einer internationalen Forschergruppe gelungen, Tausende Antiwasserstoffatome zu erzeugen.

Ein Antiwasserstoffatom besteht aus einem negativ geladenen Antiproton, um das sich ein positiv geladenes Positron - das Antiteilchen des Elektrons - bewegt. Damit sich Antiwasserstoff überhaupt bilden kann, müssen die Antiprotonen und die Positronen zunächst getrennt hergestellt und dann zusammengebracht werden. Bereits 1995 war es einer Forschergruppe am Cern gelungen, mit energiereichen Antiprotonen und Positronen insgesamt neun Antiatome herzustellen. Doch flogen diese so schnell davon, daß es unmöglich war, ihre Eigenschaften zu studieren.

Bei dem neuen Experiment mit dem Namen Athena ist man deshalb bestrebt, besonders langsame Antiatome zu erzeugen. Man möchte die Energiezustände der Antimaterie mit Laserstrahlung präzise untersuchen und mit den bekannten Zuständen von normalem Wasserstoff vergleichen. Fände man dabei eine Differenz - und sei sie noch so gering -, hätte das weitreichende Konsequenzen für die Physik. Ein Unterschied in den Eigenschaften von Materie und Antimaterie könnte Hinweise auf eine Theorie enthalten, die weit über das Standardmodell der Elementarteilchen hinausgeht und die Quantenphysik mit der Allgemeinen Relativitätstheorie vereint. Außerdem ließe sich überprüfen, ob sich Materie und Antimaterie in einem Gravitationsfeld tatsächlich gleich verhalten, wie man dies bisher stets angenommen hat.

Zur Herstellung der langsamen Antiatome verwendeten die Forscher Positronen, die beim Zerfall des radioaktiven Isotops Natrium-22 freigesetzt werden. Etwa 75 Millionen davon wurden gesammelt und als drei Zentimeter langes Wölkchen mit elektrischen und magnetischen Feldern festgehalten - ein vergleichsweise einfaches Verfahren. Schwieriger war es, die langsamen Antiprotonen herzustellen. Zunächst wurden mit dem Protonenbeschleuniger des Cern energiereiche Wasserstoffkerne auf einen Metallblock geschossen. Durch den Zusammenprall mit den Metallkernen entstanden unter anderem Protonen und Antiprotonen. Die Antiteilchen, die fast mit Lichtgeschwindigkeit davonflogen, wurden mit dünnen Metallfolien so stark abgebremst, daß man sie in einer sogenannten Penning-Falle mit elektrischen und magnetischen Feldern einfangen und festhalten konnte. Anschließend brachte man sie mit extrem kalten Elektronen in Kontakt, wodurch sich die Geschwindigkeit noch weiter verringerte.

Schließlich blieben in ausreichender Zahl äußerst langsame Antiprotonen übrig, die man dann behutsam immer wieder durch das Positronenwölkchen fliegen ließ. Kamen sich dabei jeweils ein Antiproton und ein Positron nahe genug, bildeten sich ein neutrales Antiwasserstoffatom, das aus der Falle driftete und nach einigen Millionstelsekunden auf einen der vielen, die Falle umgebenden Detektoren traf. Dort zerstrahlte die Antimaterie. Daß sich tatsächlich Antiwasserstoff gebildet hatte, ließ sich anhand der freigesetzten charakteristischen Strahlung erkennen. Wie die Wissenschaftler heute in der Online-Ausgabe der Zeitschrift "Nature" berichten, konnten auf diese Weise mindestens 50 000 Antiatome hergestellt werden.

Noch ist die Zeitspanne zwischen der Erzeugung und der Vernichtung der Antiatome viel zu kurz, als daß man ihre Eigenschaften genau untersuchen könnte. Man beabsichtigt deshalb, den Antiwasserstoff mit sogenannten Magnetfallen festzuhalten oder über eine größere Strecke ungehindert davonfliegen zu lassen. Dann könnte man die optischen Eigenschaften studieren. Entsprechende Experimente werden schon vorbereitet. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 19.09.2002, Nr. 218 / Seite 38

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