Speicher für Antimaterie

Wissenschaftlern am Kernforschungszentrum CERN ist es erstmals gelungen, Anti-Wasserstoff in einer magnetischen Falle einzufangen. Details des erfolgreichen Experimentes beschreiben die Forscher in der Online-Ausgabe der Wissenschaftszeitschrift Nature.

Antimaterie ist also keineswegs nur ein Produkt von Science-Fiction-Autoren. Ziel der CERN-Forscher ist es, die Anti-Wasserstoffatome lange genug einzufangen, um spektroskopische Messungen durchzuführen. Die Wissenschaftler wollen so eine fundamentale Annahme der modernen Teilchenphysik überprüfen: Das sogenannte CPT-Theorem, das besagt, dass die Gesetze der Physik gegenüber dem gleichzeitigen Vertauschen von Ladung, Parität und Zeit invariant sind – das bedeutet, ein Antimaterie-Atom müsste sich physikalisch genauso verhalten wie das entsprechende Materie-Atom.

Denn Anti-Materie unterscheidet sich von gewöhnlicher Materie eigentlich nur in einer Quantenzahl – das Anti-Materie-Äquivalent eines Elektrons etwa ist ein Teilchen mit derselben Masse, dem selben Spin aber der entgegengesetzten Ladung eines Elektrons: das Positron. Treffen Anti-Teilchen und Teilchen aufeinander, löschen sie sich gegenseitig unter Abgabe von Strahlungsenergie aus.

Die Existenz von Anti-Teilchen ist bereits 1931 vom britischen Physiker Paul Dirac vorhergesagt worden, als er auf der Suche nach einer Formulierung der Schrödinger-Gleichung war, die auch unter relativistischen Bedingungen – also bei Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit – funktioniert. Nur ein Jahr später, 1932 wurde das erste Positron experimentell nachgewiesen. Es sollte jedoch bis 1995 dauern, bis es Wissenschaftlern am CERN zum ersten mal gelang, aus je einem Positron und einem Anti-Proton Anti-Wasserstoff-Atome zu erzeugen, die allerdings nicht gespeichert werden konnten.

Die am Alpha-Projekt beteiligten Wissenschaftler feiern ihr Experiment als Durchbruch: Die Anti-Protonen, die jetzt im CERN verwendet werden, stammen aus dem so genannten Antiproton Decelerator. Sie werden erzeugt, indem man Protonen auf einen massiven Metallblock schießt, und die so erzeugten Anti-Protonen in einer Art Speicherring sammelt und abbremst. Die Positronen stammen aus einem radioaktiven Zerfall. Die – noch geladenen – Anti-Teilchen werden in so genannten Penning-Fallen bis auf wenige Kelvin abgekühlt, und dann gemeinsam in eine magnetische Falle gesperrt, denn sobald Positronen und Anti-Protonen rekombinieren, kann man das nun elektrisch neutrale Anti-Wasserstof-Atom nur noch über sein magnetisches Moment kontrollieren. Nach einiger Zeit kommen die Anti-Atome also in Berührung mit der Fallenwand, wo sie zerstrahlen. Dieser Zerfall wird von speziellen Detektoren registriert. (wst)