Aktuelles 

Tausende von Atomen aus Antimaterie hergestellt

Von Rainer Scharf

Mehr als 50000 Antiwasserstoffatome hat ein internationales Forscherteam am CERN bei Genf hergestellt. Als nächstes sollen die Eigenschaften der Antiatome mit hoher Präzision gemessen werden. Selbst geringfügige Unterschiede zwischen Wasserstoff und Antiwasserstoff würden über das Standardmodell der Elementarteilchen hinausführen und vielleicht sogar einen Blick auf die Quantentheorie der Gravitation erlauben.

Als Ende 1995 am CERN neun Antiwasserstoffatome hergestellt worden waren, ging die Nachricht als Sensation um die Welt. Doch die schnell fliegenden Antiatome prallten sofort auf normale Materie und zerstrahlten, noch bevor man sie hätte einfangen und untersuchen können. Inzwischen hat man am CERN gelernt, wesentlich mehr Antiatome zu produzieren. Zudem kann man sie jetzt auch so stark abbremsen, dass Experimente mit ihnen in greifbare Nähe rücken.

Antiwasserstoffatome bestehen aus einem Antiproton, um das sich ein Positron bewegt. Bei dem neuen CERN-Experiment ATHENA stammen die Positronen aus dem Zerfall des radioaktiven Isotops Natrium-22. Etwa 75 Millionen dieser Positronen wurden gesammelt und als kleines Wölkchen in einer Penning-Falle von elektrischen und magnetischen Feldern festgehalten.

Um die Antiprotonen herzustellen, beschleunigten die Forscher Pakete von mehreren Billionen Protonen auf eine Energie von 26 GeV (dem Dreißigfachen der Protonenmasse) und schossen sie auf einen Metallblock. Beim Aufprall wandelte sich ein Teil der Energie in Proton-Antiproton-Paare um. Durch dünne Folien wurden die Antiprotonen auf 5 MeV abgebremst und mit einem elektrischen Feld eingefangen. Anschließend wurden sie durch kalte Elektronen weiter verlangsamt.

Es blieben jeweils rund 10000 kalte Antiprotonen übrig, die behutsam immer wieder durch das Positronenwölkchen geführt wurden. "Einige Antiprotonen blieben in der Wolke stecken und es entstanden Antiwasserstoffatome", erklärt Rolf Landua, Physiker am CERN und Sprecher des ATHENA-Experiments. Da die Atome elektrisch neutral waren, konnten sie aus der Falle herausdriften. Sobald sie auf normale Materie trafen, zerstrahlten sie: Bei der "Annihilierung" der Antiprotonen entstanden Pionen, während aus jedem Positron zwei Photonen entstanden, die in entgegen gesetzte Richtungen davonflogen.

(Bild)
Das Ende eines Antiwasserstoffatoms im ATHENA-Experiment: Zwei Photonen fliegen in entgegen gesetzte Richtung davon (rote Linie). Außerdem entstehen vier Pionen (gelbe Linien). Quelle: CERN

Mit Detektoren wurden die Pionen und die Photonen registriert. Dabei fanden die Forscher deutlich mehr Photonen, die in entgegen gesetzte Richtungen auseinander flogen als unter einem kleineren Winkel - für die Wissenschaftler ein deutliches Zeichen, dass tatsächlich Antiwasserstoffatome entstanden waren. Um sicher zu gehen, heizten Landua und seine Kollegen die Positronenwolke in einem Kontrollexperiment auf. Dann konnten die Antiprotonen die schnell bewegten Positronen nur selten einfangen und es entstanden wesentlich weniger Antiatome. "Das ist wie in der Disco", meint Landua. "Wenn alle zu sehr herumhopsen, kommt kein Kontakt zustande."

Von ihrer Erzeugung bis zur Zerstrahlung lebten die Antiwasserstoffatome nur einige Millionstel Sekunden. Das ist noch immer zu kurz, um Präzisionsmessungen an ihnen durchführen zu können. Doch angesichts der großen Zahl hergestellter Antiatome ist Landua optimistisch, dass solche Messungen bald möglich werden. Dazu müsste man die Antiatome noch stärker kühlen und in geeigneten Fallen fangen oder über größere Strecken frei fliegen lassen. Am CERN plant man, mit großer Genauigkeit die Energiedifferenz zwischen dem 1S- und dem 2S-Zustand des Antiwasserstoffs zu messen, die für den Wasserstoff schon sehr genau bekannt ist.

Und wenn sich herausstellen würde, dass die sich die Energieniveaus des Antiwasserstoffs von denen des Wasserstoffs geringfügig unterscheiden? Das stünde im Konflikt mit der CPT-Symmetrie, einem Grundpfeiler der Quantenfeldtheorie. Solch eine Beobachtung ginge weit über das Standardmodell der Elementarteilchen hinaus und gäbe einen Hinweis, warum das Universum viel mehr Materie als Antimaterie enthält. "Möglicherweise spielt dabei auch die Quantengravitation eine Rolle", vermutet Landua. Man darf gespannt sein, was die Präzisionsmessungen am Antiwasserstoffatom ergeben werden und welche Schlüsse sich daraus für unser Universum ziehen lassen. 
 

Quelle
M. Amoretti et al.: Production and detection of cold antihdrogen atoms. Nature 419, 456 (2002)
http://www.nature.com/doifinder/10.1038/nature01096

Kontakt
Rolf.Landua@cern.ch

Weitere Informationen

Antiwasserstoff
http://athena-positrons.web.cern.ch/ATHENA-positrons/wwwathena/hbar.html

ATHENA
http://athena.web.cern.ch/athena/

ATRAP
http://hussle.harvard.edu/~atrap/

Experiment am Fermilab
http://ppd.fnal.gov/experiments/hbar/

Antiwasserstoff-Projekt am MPQ
http://www.mpq.mpg.de/~haensch/antihydrogen/

pro-physik.de v. 19.9.2002

>>> Zur Startseite