Eingesperrte Antimaterie

Wenn die Science-Fiction-Schriftsteller gewusst hätten, wie kompliziert die Konstruktion eines Behälters für Anti-Wasserstoff ist, hätten sie sich einen anderen Treibstoff ausgedacht

Antimaterie, aus den Gegenstücken unserer bekannten Elementarteilchen aufgebaut, ist für Autoren phantastischer Romane überaus verführerisch. Ermöglicht sie doch die Konstruktion eines Treibstoffs mit der ultimativen Energiedichte, weil die Annihilation mit Teilchen gewöhnlicher Materie mit einer nicht zu übertreffenden Energieausbeute endet. Allerdings ist es nicht so einfach, diese Reaktion zu steuern. In der Praxis ist es Anti-Atomen völlig egal, auf welches Normal-Atom sie gerade stoßen. Die Star-Trek-Autoren haben sich deshalb 2.5.6-Dilizium-2.:.1-Diallosilikat-1:9:1-Heptoferranid, umgangssprachlich Dilithium, ausgedacht, einen Stoff, der angeblich nicht mit Antimaterie reagiert.

Näher an der Realität sind die Erfinder von Kirk, Spock & Co., wenn es um die Aufbewahrung des Anti-Treibstoff geht: Er wird in so genannten Eindämmungskammern gespeichert - und zwar auf magnetischer Basis. Das ist tatsächlich der einzige Punkt, an dem man neutrale Atome packen kann - oder besser packen könnte, denn die Dimensionen der Kräfte, die sich zwischen elektrischen und magnetischen Dipolen ergeben, sind leider stark unterschiedlich.

Während es relativ einfach ist, Antiprotonen in einem elektrischen Feld zu halten, ist es umso schwieriger, Antiwasserstoff-Atome magnetisch auf einen bestimmten Ort zu beschränken. Eine Grundvoraussetzung dafür besteht so schon einmal darin, dass sie nur sehr wenig kinetische Energie besitzen dürfen, also sehr kalt (etwa 0,5 Kelvin) sein müssen.

Die Falle

Trotzdem ist nun Forschern des CERN das Kunststück gelungen, Antiwasserstoff-Atome für gewisse Zeit zu speichern. Der Prozess ist überaus kompliziert, wie in dieser Woche im Wissenschaftsmagazin Nature nachzulesen ist. Zunächst müssen die Forscher dazu die Ingredienzien vorbereiten. Sie benötigen zum einen Antiprotonen. Dazu schickten sie 3,7 mal 107 Teilchen durch einen Entschleuniger - auch das gibt's in den Hallen des weltgrößten Beschleunigers. Die übrig gebliebenen etwa 30.000 Antiprotonen lagern in einer mit elektrischem Potenzial arbeitenden Falle; das Plasma, das sie bilden, hat einen Durchmesser von etwa 0,8 Millimeter und ist mit 200 Kelvin immer noch recht heiß.

Foto der Elektroden (in Gold) für die „Falle“. Foto: Niels Madsen ALPHA/Swansea

Die nötigen Positronen hingegen stammen aus dem Betazerfall einer 22Na-Quelle, werden in einem Akkumulator gesammelt und mit Hilfe von Verdampfungskühlung (bei der man den energiereichsten Teilchen jeweils die Flucht erlaubt) auf etwa 40 Kelvin gebracht. In dem 0,9 Millimeter durchmessenden Plasma stecken noch 2 Millionen Positronen. Nun bringt man die beiden Elementarteilchen-Pools in unmittelbare Nähe, in Form von zwei elektrisch erzeugten Potenzialbrunnen, aus denen die Teilchen zunächst nicht fliehen können.

Mit Hilfe eines oszillierenden elektrischen Feldes erhöht man schrittweise die Energie der Antiprotonen, bis sie ihren eigenen Brunnen verlassen und in den Positronen-Brunnen fallen können - und zwar mit sehr geringer Relativgeschwindigkeit, so dass die sich bildenden Antiwasserstoffatome sehr wenig kinetische Energie besitzen. Schon nach einer Sekunde bricht man den Prozess ab, die restlichen geladenen Teilchen werden einfach per Feldumpolung aus dem Nest geworfen.

Das Experiment 335 mal wiederholt

Da der komplette Prozess in einem geschickt konstruierten Magnetfeld stattfindet, bleiben nur neutrale Antiwasserstoffatome an Ort und Stelle. Jedenfalls wenn sie kalt genug sind - für alle anderen registrieren die Forscher in Silizium-Detektoren die passenden Zerfallsereignisse. Ob jetzt tatsächlich noch Antiwasserstoff in der Falle steckt, ist gar nicht so leicht herauszufinden - sehen kann man die Atome ja nicht.

Die CERN-Forscher behelfen sich mit einem Trick: Sie schalten das Magnetfeld des Supraleiters einfach ab und messen, was passiert. Und wirklich registrieren sie sofort nach dem Abschalten eine ganze Anzahl weiterer Annihilationen. Um ganz sicher zu gehen, berichten die Wissenschaftler in Nature, haben sie das Experiment 335 mal wiederholt. Insgesamt zählen sie dabei 38 Annihilationen nach Abschalten des Supraleiters. 38 Annihilationen, die insgesamt 38 gespeicherten Antiwasserstoff-Atomen entsprechen.

Das klingt nach einem eher bescheidenen Ergebnis. Die Forscher sind aber trotzdem hoffnungsvoll: Zum einen sollten sich Temperatur und Dichte der Positronen noch optimieren lassen, um mehr Antiwasserstoff-Atome zu erhalten, zum anderen sind auch die Antiprotonen im Vergleich zu ihrer Umgebung noch sehr warm.

Bis zu den Star-Trek-Eindämmungskammern ist also noch ein weiter Weg. Die Raumfahrt ist aber auch gar nicht das Ziel: Es geht darum, an Antiwasserstoff unsere Physik überprüfen zu können. Denn eigentlich müssten die Spektren von Wasserstoff und Antiwasserstoff ziemlich gleich aussehen - eine Bestätigung dieser theoretischen Vorhersage würde die Theorie stützen. (Matthias Gräbner)

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