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Ein grünes Teilchen strahlt vor sich hin

Ein Strahl von Antiwasserstoff-Atomen

Antimaterie ist das Gegenstück von Materie - den üblichen Dingen, die uns im Alltag umgeben. In "freier Wildbahn" konnte Antimaterie noch nicht beobachtet werden; im Labor, künstlich erzeugt, hingegen schon. Physiker berichten nun von einem neuen Rekord: Sie stellten einen Strahl von 80 Atomen Antiwasserstoff her.

Physik 21.01.2014

Noch ist der Strahl schwach, in Zukunft soll er aber das Studium von Antimaterie mit höchster Präzision ermöglichen, schreiben die Forscher um Naofumi Kuroda von der Universität Tokio in einer Studie.

Die Studie:

"A source of antihydrogen for in-flight hyperfine spectroscopy" von Naofumi Kuroda und Kollegen ist am 21.1.2014 in "Nature Communications" erschienen.

Video:

Ö1 Sendungshinweis:

Dem Thema widmet sich auch ein Beitrag in Wissen aktuell: 22.1., 13:55 Uhr.

Teilchen und Antiteilchen

Zu jedem Teilchen gibt es ein Gegenstück: zum negativ geladenen Elektron etwa das positiv geladene Positron, zu jedem Quark ein Antiquark, usw.. Laut Standardmodell der Teilchenphysik gibt es eine perfekte Symmetrie zwischen diesen Gegenstücken, also zwischen Materie und Antimaterie - die Physiker nennen dies "CPT-Symmetrie".

Demnach haben Teilchen und ihre Antiteilchen gleiche Massen, Lebensdauer und gleich große, aber entgegengesetzte Ladung. Auch alle anderen Eigenschaften sind gleich oder entgegengesetzt.

Die CPT-Symmetrie war bisher bei allen Messungen der Eigenschaften von Elementarteilchen gültig, so genau man halt messen konnte. Bei der "Geburt" des Universums muss es allerdings eine eklatante Asymmetrie gegeben haben. Denn wäre alles gleich, hätten beim Urknall gleich viel Materie und Antimaterie erzeugt werden müssen, die sich sofort wieder vernichtet hätten - das Universum würde in diesem Fall gar nicht existieren.

Eklatante Symmetrieverletzung

Tatsächlich gibt es bisher keinerlei Hinweise auf die Existenz von Antimaterie im Universum. Es muss also eine andere Erklärung dafür geben, dass es die Welt gibt. Hinweise dafür fanden Wissenschaftler schon in den 1950er und 1960er Jahren, als bestimmte Symmetriebrüche bei einigen Elementarteilchen festgestellt wurden.

"Die Stärke der beobachteten Symmetrieverletzung reicht jedoch bei weitem nicht aus, um die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie im Universum zu erklären", erklärte Eberhard Widmann, Direktor des Stefan-Meyer-Instituts für subatomare Physik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) im Gespräch mit der APA.

So sieht es im Labor der Gruppe um Kuroda aus

Naofumi Kuroda

So sieht es im Labor der Gruppe um Kuroda aus

Besondere Hoffnung setzen die Physiker deshalb auf die Untersuchung von Antiwasserstoff. Denn sein Gegenstück in der Materiewelt, der Wasserstoff, gehört zu den experimentell am Besten untersuchten Systemen in der Physik. Der Vergleich der Messergebnisse von Antiwasserstoff und Wasserstoff ermöglicht daher einige der empfindlichsten Überprüfungen der Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie.

Noch ist der Strahl zu schwach

Eine bestimmte Eigenschaft, die sogenannte Hyperfeinstruktur, konnte bisher aber noch nie an Antiwasserstoff überprüft werden. Denn die Antimaterie muss, damit sie nicht mit Materie in Berührung kommt, durch starke Magnetfelder in Schwebe gehalten werden.

Und diese Magnetfelder erlauben nicht das Studium der durch das magnetische Moment der Teilchen verursachten winzigen Energieunterschiede, eben die Hyperfeinstruktur. Für deren Untersuchung am Antiwasserstoff hat Widmann 2011 einen "Advanced Grant" des Europäischen Forschungsrats (ERC) erhalten (mehr über das Projekt).

Schema der Entstehung des Antiwasserstoff-Strahls

E. Widmann und N. Kuroda

Schematische Darstellung des Antiwasserstoff-Strahls: links die "cusp trap" genannte Apparatur, die Antiwasserstoff nicht nur erzeugt, sondern auch zu einem Strahl bündelt, ganz rechts der Detektor

Einem internationalen Forscherteam mit österreichischer Beteiligung ist nun die Herstellung eines Strahls von Antiwasserstoff-Atomen gelungen. Sie konnten an einer Einrichtung am Europäischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf Antiwasserstoffatome in einem Abstand von 2,7 Meter vom Ort der Produktion und damit ohne störenden Einfluss äußerer Magnetfelder beobachten.

Noch ist der Strahl allerdings recht schwach: "Wir haben derzeit etwa 20 Atome pro Stunde, brauchen allerdings ein paar hundert pro Stunde und müssen zudem exakt über deren Qualität Bescheid wissen", sagte Widmann. Er schätzt, dass die Wissenschaftler der ASACUSA-Gruppe am CERN dafür noch ein, zwei Jahre benötigen werden.

science.ORF.at/APA

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