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Nur zu dritt sind die Borromäischen Ringe untrennbar. Fehlt einer, fallen auch die beiden übrigen auseinander. Max-Planck-Forscher haben in ultrakalten Gasen nun Verbindungen aus drei Teilchen geschaffen, die sich ganz ähnlich verhalten.
[Bildquelle: MPI für Kernphysik]
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Zusammenhalt kennt ein Symbol: Die unverbrüchliche
Freundschaft zu seinen Förderern wollte Filippo Borromeo vermutlich
zum Ausdruck bringen, als er Mitte des 15. Jahrhunderts die
Borromäischen Ringe in sein Familienwappen aufnahm. Diese sind so
ineinander verschlungen, dass sie nur zu dritt eine Einheit bilden.
Fehlt ein Ring, fallen auch die beiden anderen auseinander. Das gilt
nicht nur für manche Freundschaft, sondern auch für eine besondere
Ménage à trois, die Atome oder Elementarteilchen eingehen.
Zu einer solchen Verbindung, die nur als Trimer,
also als Dreiecksbeziehung, existieren kann, haben Physiker des
Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik nun Atome eines
extrem kalten Lithiumgases vereinigt. Einen Zusammenschluss mit
ähnlichen Eigenschaften bilden auch Quarks in Protonen und Neutronen,
aus denen die sichtbare Masse des Universums besteht. Wie sich drei
Lithium-Atome zu Trimeren zusammenschließen, könnte also auch etwas
darüber verraten, wie sich kurz nach dem Urknall aus dem extrem
dichten und heißen Teilchenbrei des Quark-Gluon-Plasmas die Bausteine
unserer Materie formten. Oder wie Neutronensterne entstehen, die
ebenfalls aus dieser zerquetschten Form der Materie bestehen und über
deren genaue Eigenschaften wenig bekannt ist. Anders als an
Teilchenbeschleunigern, wo das Quark-Gluon-Plasma schon direkt erzeugt
und untersucht wird, können die Physiker in den Experimenten mit
kalten Atomen an vielen Parametern drehen, um die Wechselwirkung der
Teilchen zu kontrollieren.
Nur mit einigem experimentellem Geschick lässt sich
ein Gas herstellen, in dem sich drei Lithium-Atome zusammenschließen
können. Das fängt schon mit der Schwierigkeit an, ein Gas von Atomen
fast bis zum absoluten Temperatur-Nullpunkt abzukühlen. Zu diesem
Zweck füllen die Heidelberger Wissenschaftler rund eine Million
Lithium-Atome in eine optische Dipolfalle. In einer solchen Falle
fängt ein starker Laser die Teilchen mit seiner elektromagnetischen
Kraft ein und hält sie fest. Dabei bewegen sich die Teilchen gerade
noch so viel, wie es der Temperatur vom Bruchteil eines Millionstel
Grads über dem absoluten Nullpunkt entspricht.
Damit haben die Heidelberger aber noch nicht einmal
den halben Weg zu den Trimeren bewältigt. In einem solchen kalten Gas,
einem Quantengas, finden die Atome nämlich nicht von selbst
zueinander, sie existieren für die jeweils anderen nicht einmal. "Nahe
am absoluten Nullpunkt besetzen die Lithium-Atome so wie Elektronen in
einem Atom jeden Zustand genau einmal", erklärt Jochim. Lithium-Atome
gehören nämlich zu den Fermionen, und Fermionen sind von Natur aus
sehr eigen: Anders als Bosonen dürfen nie zwei Vertreter dieser
Spezies im selben Zustand vorliegen, das verbieten die Gesetze der
Quantenphysik. Um zu stoßen, müssten sie jedoch genau dies tun - sie
müssten den gleichen Bewegungszustand annehmen. Die dafür notwendige
Gleichmacherei verhindert prinzipiell, dass die Teilchen
zusammenprallen können.
"Die Schwierigkeit besteht nun darin, in dem Gas
genau drei Gruppen von Teilchen zu präparieren, die sich voneinander
in einer anderen Eigenschaft als dem Bewegungszustand unterscheiden",
sagt Timo Ottenstein, der an dem Experiment maßgeblich beteiligt war.
Nur dann können sich drei Teilchen, von denen jedes zu einer anderen
Gruppe gehört, erkennen und zusammenstoßen. Dann nämlich können sie
den gleichen Bewegungszustand annehmen, weil sie ja anhand einer
anderen Eigenschaft auseinander zu halten sind.
Zu diesem Zweck haben die Heidelberger
Wissenschaftler jeweils ein Drittel der Lithium-Atome mit Radiowellen
geschickt in einen bestimmten Spin-Zustand befördert. Der Spin eines
Teilchens entspricht seinem magnetischen Moment. Das heißt, jedes
Teilchen ähnelt einem winzigen Stabmagneten. Dadurch, wie die
Stabmagnete ausgerichtet sind, unterscheiden sich die drei Gruppen von
Lithium-Atomen nach der Bestrahlung mit Radiowellen. Bislang hatten
Forscher ähnliche Gase nur in zwei Gruppen mit jeweils eigenem Spin
aufspalten können.
Selbst dann schließen sich drei Teilchen aber noch
nicht aus freien Stücken zusammen. Erst mit einem Magnetfeld bringen
Selim Jochim und seine Mitarbeiter sie zusammen - jeweils einen
Vertreter aus jeder Gruppe. Die richtige Stärke des Magnetfeldes haben
die Heidelberger Physiker in einigen tausend Messungen bestimmt. "Wir
haben selbst nicht sicher damit gerechnet, dass dieses Experiment
gelingt", sagt Selim Jochim: "Deshalb haben wir den Versuchsaufbau so
ausgelegt, dass er auch für andere Untersuchungen geeignet ist und so
die Arbeit im Zweifelsfall nicht vergebens war."
Bisher blieben die Teilchen nur für
Sekundenbruchteile im borromäischen Zustand. Nach einem flüchtigen
Kontakt der drei fliegt ein Teilchen davon und lässt die beiden
anderen als gewöhnliches Paar zurück. Sowohl das Pärchen als auch das
abgestoßene Teilchen nehmen dabei zudem so viel Energie auf, dass sie
auch noch aus der Dipolfalle katapultiert werden. Eingehender
untersuchen können die Heidelberger Forscher den borromäischen Zustand
daher noch nicht. Doch das soll sich ändern: "Wir verfolgen schon
einige Ideen, um die Lebensdauer des Trimers zu verlängern", sagt
Selim Jochim und trägt so zum Austausch zwischen Atom- und
Teilchenphysikern bei. Um auszuloten, wie die Vertreter beider
Disziplinen voneinander lernen können, haben sie sich vor Kurzem
bereits auf einem Workshop des Extreme Matter Institute an der
Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt ausgetauscht. [PH]
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