Antiwasserstoff

„Ein ganz, ganz dünner Antiteilchenstrahl“

Einem Forscherteam am Europäischen Labor für Teilchenphysik (CERN) in Genf ist es erstmals gelungen, einen Strahl aus Antiwasserstoff-Atomen herzustellen. Dies ist ein wichtiger Zwischenschritt hin zu einem besseren Verständnis von Antimaterie. Dieses Verständnis könnte eine Grundlage schaffen, damit Physiker in Zukunft einmal die grosse Frage beantworten können, warum unser Universum und wir Menschen aus Materie, nicht aber aus Antimaterie bestehen. Stefan Ulmer, der im Rahmen des ASACUSA-Experiments Antiwasserstoff untersucht, erläutert die aufsehenerregenden neuen Erkenntnisse.

Antiteilchenstrahl

Herr Ulmer, zuerst möchten wir verstehen, was ein Antiteilchen ist: Das Elektron ist negativ geladen, das Antiteilchen des Elektrons, das Positron, hingegen positiv. Antiteilchen sind also immer umgekehrt geladen?

Stefan Ulmer: Das ist richtig. Das zugehörige Antiteilchen hat immer die umgekehrte Ladung. Aber mehr noch: Das Antiteilchen hat ebenfalls das umgekehrte magnetische Moment, aber die exakt identische Masse, denselben Spin und dieselbe Lebensdauer.

Das Neutron ist nicht geladen. Hat es also kein Antiteilchen?

Doch! Das Neutron besteht ja aus drei Quarks, die jeweils eine Ladung haben. Jedes Quark hat ein Antiquark mit entgegengesetzter Ladung. Das Antineutron besteht aus drei Antiquarks. Zum Beispiel wurde kürzlich Antihelium, dessen Kern aus Antiprotonen und Antineutronen besteht, nachgewiesen.

Angeblich gibt es zu jedem Teilchen ein Antiteilchen. Sind Sie da ganz sicher?

Absolut! Physiker haben die entsprechenden Antiteilchen zu den Elementarteilchen alle schon beobachtet.

Wie viele Antiteilchen gibt es denn insgesamt?

Wir kennen zwölf Materieteilchen, nämlich sechs Leptonen und sechs Quarks. Zu jedem dieser zwölf Teilchen gibt es nach dem Standardmodell der Teilchenphysik ein Antiteilchen.

Und dann gibt es noch zwölf Austauschbosonen, also Teilchen, die für den Austausch der starken, der schwachen und der elektromagnetischen Kraft verantwortlich sind. Haben diese Kraftteilchen und das Higgs-Teilchen, das weder Materie- noch Kraftteilchen ist, ebenfalls jeweils ein Antiteilchen?

Im Grunde genommen ja, in einem hypothetischen Antimaterie-Universum wäre alles 'anti', auch die Austauschbosonen, wobei die meisten dieser Teilchen bereits ihre eigenen Antiteilchen sind. Es gibt z.B. keinen Unterschied zwischen einem Photon und einem Antiphoton.

Werden die Antiteilchen, die Physiker nachweisen, immer in Experimenten erzeugt? Oder werden auch natürlich vorkommende Antiteilchen nachgewiesen?

Die Antiwasserstoff-Atome, die wir am CERN nachweisen, sind künstlich erzeugt; Antiwasserstoff wurde in der Natur bisher nie beobachtet. In anderen Fällen aber entstammen nachgewiesene Antiteilchen durchaus der natürlichen Umwelt. Das gilt zum Beispiel auch für das erste nachgewiesene Antiteilchen, das Positron, also das Antiteilchen des Elektrons. Dieses wurde 1932 vom US-Amerikaner Carl David Anderson in der kosmischen Strahlung entdeckt, wofür er später den Nobelpreis bekam. Auch die Positronen, die heute in der Medizin zur Anwendung kommen, sind oft natürlichen Ursprungs.

Ein Wasserstoffatom besteht aus einem Proton und einem Elektron. Das heisst, Antiwasserstoff besteht aus einem Anti-Proton und einem Anti-Elektron?

Genau, wobei man das Anti-Elektron gewöhnlich als Positron bezeichnet.

Was weiss man heute über Antiwasserstoff?

Nicht viel! Dies im Unterschied zum Wasserstoff. Das Wasserstoff-Atom ist das bestuntersuchte und am besten verstandene Atom der modernen Physik. Man kennt zum Beispiel seine optischen und magnetischen Spektren mit Billiardstel-Genauigkeit und besser. Der Antiwasserstoff ist uns dagegen noch ein grosses Rätsel.

Wie wird Antiwasserstoff hergestellt?

Antiwasserstoff herzustellen ist extrem schwierig! Zur Herstellung eines Antiwasserstoff-Atoms braucht man Anti-Protonen und Positronen. Die Positronen kommen natürlich vor, zum Beispiel in Natrium 22, das ist ein starker Beta-Plus-Strahler. Um Anti-Protonen zu erzeugen, wird am CERN ein Protonenstrahl mit hoher Energie (25 GeV) auf eine Iridium-Zielscheibe geschossen. Dort wird die kinetische Energie des Protonenstrahls in Teilchen umgewandelt, es entstehen immer Paare aus einem Proton und einem Antiproton. Die Antiprotonen werden dann über magnetische und elektrostatische Felder von Protonen getrennt. Die Antiprotonen gelangen dann in den Antiproton-Decelerator (kurz: AD) und werden dort entschleunigt auf eine Energie von 5,3 MeV.

Anschliessend werden die Antiprotonen und die Positronen in einer sogenannten Penningfalle nahe beieinander gespeichert. Im letzten Schritt bringt man die Teilchenspezies, z.B. durch Radiofrequenzfelder, zur Interaktion – dabei entstehen durch Rekombinationsreaktionen Antiwasserstoffatome. Dieser Mischprozess ist der Schlüssel zur Herstellung von Antiwasserstoff.

Wie gross ist die Lebensdauer eines Antiwasserstoffatoms?

Im idealen Vakuum: unendlich lang.

Und bei Ihnen am CERN?

In der ASACUSA-Apparatur typischerweise 1000 bis 2000 Sekunden, also rund 20 bis 30 Minuten. Einzelne Antiprotonen wurden aber beispielsweise schon über Monate gespeichert.

Sie konnten am CERN nun den ersten Strahl aus Antiwasserstoff-Atomen herstellen. Um wie viele Atome handelt es sich dabei?

Wir haben während 4500 Sekunden einige Millionen Antiwasserstoff-Atome erzeugt und dabei etwa 80 Teilchen am Ende unseres Strahlrohrs nachgewiesen. Sie sehen, es handelt sich noch um einen ganz, ganz dünnen Antiteilchenstrahl.

Wie ist es Ihnen gelungen, den Strahl herzustellen?

Wir haben die Antiwasserstoff-Atome wie oben erwähnt in einer Penningfalle hergestellt. Anschliessend nutzten wir einen sogenannten Kollimator, der den Atomen eine gemeinsame Richtung gibt, aus ihnen also einen Strahl formt. Die Atome werden dann in einem Abstand von 2,7 Metern von der Quelle mit einem Annihilationsdetektor beobachtet. Dort sind störende Magnetfelder, welche die geplanten Präzisionsmessungen beeinträchtigen können, klein. Daher ist die Produktion des Strahls ein wichtiger Schritt. um endlich die Eigenschaften von Antiwasserstoff genau untersuchen zu können.

Wie schaffen Sie es, dass sich gewöhnliche Materie und der Antiwasserstoff nicht zu nahe kommen und dabei vernichten?

Wir haben in unserer Apperatur ein extrem gutes Vakuum, das heisst, wir haben praktisch keine Restgasatome im Hintergrund, mit denen sich der Antiwasserstoff vernichten könnte.

Der Antiwasserstoff-Strahl, den Sie bisher erzeugen konnten, ist erst ein Zwischenschritt. Was ist Ihr Ziel?

Mindestens 100 mal mehr Antiwasserstoff-Atome als heute im Strahl, das wäre wunderbar! Je intensiver der Teilchenstrahl, desto besser für uns, weil wir damit bessere Messresultate erhalten können. Wir haben schon relativ klare Ideen, wie wir unsere Apparatur so verbessern können, dass wir die Strahlintensität um einen Faktor 10 steigern können.

Wie viele Menschen forschen am CERN an Antiteilchen?

Es gibt derzeit sieben aktive Kollaborationen (Forscherteams). In den Antiwasserstoff-Experimenten direkt vor Ort am CERN arbeiten normalerweise 50 bis 150 Forscher.

Die letzte, aber vielleicht wichtigste Frage: Wozu ist Ihre Forschung gut?

Nach der geltenden Theorie der modernen Physik gehen aus einer Explosion von Energie immer gleich viel Materie und Antimaterie hervor. Das heisst, auch beim Urknall, als unser Kosmos entstand, muss gleich viel Materie und Antimaterien entstanden sein, zumindest nach unserem gegenwärtigen Verständnis. Nun beobachten wir im Universum aber praktisch ausschliesslich Materie, aber keine Antimaterie. Wir möchten die Mechanismen dahinter verstehen, und damit im Grunde genommen die ganz fundamentale Frage nach der Ursache unserer Existenz beantworten. Ein moeglicher Weg um zu diesen Erkenntnissen zu gelangen ist die Untersuchung von Antimaterie. Wir wollen deren Eigenschaften mit denen von Materie extrem genau vergleichen. Eventuell entdeckte Abweichungen könnten dann der Schlüssel sein zu einer neuen Physik, mit der wir die grundlegenden physikalischen Mechanismen der Entwicklung unseres Kosmos und damit auch der Menschheit wirklich verstehen.

Interview: Benedikt Vogel (veröffentlicht: 30. 1. 2014)

  • Stefan Ulmer erforscht am CERN Antiwasserstoff.
  • Die Darstellung veranschaulicht, wie mit dem ASACUSA-Experiment am CERN Antiwasserstoff nachgewiesen wird. Ganz rechts der Detektor.
  • Stefan Ulmer erforscht am CERN Antiwasserstoff.1/2
  • Die Darstellung veranschaulicht, wie mit dem ASACUSA-Experiment am CERN Antiwasserstoff nachgewiesen wird. Ganz rechts der Detektor.Image: Stefan Meyer Institut2/2

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