Am CERN konnten Antiprotonen und Positronen kombiniert und in einer magnetischen Falle gespeichert werden. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse versprechen fundamentale physikalische Erkenntnisse.
Eine wissenschaftliche Premiere ist das gelungene Experiment zur Speicherung von Antiwasserstoff-Atomen. ALPHA, eine Experimentiervorrichtung der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) in der Schweiz, dient der Erfassung, Speicherung und Analyse von Antiwasserstoff. Hier gelang der Durchbruch.
Antiwasserstoff besteht - im Gegensatz zum normalen Wasserstoff (Protium) mit einem positiv geladenen Proton als Kern und einem negativ geladenen Elektron in der Atomhülle - aus einem negativ geladenen Antiproton im Kern und einem positiv geladenem Positron.
"Das Einfangen von Antiwasserstoff erwies sich als wesentlich schwieriger, als dessen Erzeugung," berichtet Joel Fajans, ALPHA-Teammitglied und Mitautor eines in Natur erschienen Artikels zum gelungenen Experiment (siehe unten). Verwendet wurde eine speziell entwickelte, flaschenähnliche Apparatur, die so genannte ‚Minimum Magnetic Field Trap‘; Kernkomponente ist ein Oktupol aus acht Magneten, dessen Aufgabe darin besteht, die eingefangene Antimaterie von den Wänden und Teilen der Experimentiervorrichtungen fernzuhalten, da sie sonst vernichtet würde.
Das ALPHA Team berichtet in einem Nature-Aufsatz über die Ergebnisse von 335 Versuchen, in denen Antiwasserstoff-Atome für jeweils etwa 1 Sekunde erzeugt und gespeichert wurden. Die Experimente wurden in Abständen von mindestens 15 Minuten wiederholt. Dazu wurden Antiprotonen mit Positronen in der magnetischen Falle gemischt, die entstandene Antimaterie gespeichert, anschließend freigesetzt und schließlich der Zerfall mit Silicium-Detektoren aufgezeichnet. Die Forscher konnten so 38 Antiwasserstoffatome erzeugen, für nahezu 0,2 Sekunden speichern und vermessen.
Vermutlich wurden wesentlich mehr als 38 Anti-Atome erzeugt. Um Fehler, zum Beispiel durch den Durchgang kosmischer Hintergrundstrahlung, auszuschließen wurden auf theoretischen Berechnungen basierende Computersimulationen eingesetzt, die die zu erwartenden Detektor-Ereignisse abschätzbar machten; nicht konforme Ereignisse wurden verworfen.
Von der Antimaterie lernen
Vor 1928 - als Paul Dirac aus theoretischen Gründen die Existenz von Antielektronen (Positronen) vorhersagte - ahnte niemand etwas von Antimaterie. 1932 wurden erstmals Positronen-Überreste in kosmischer Strahlung beobachtet (Carl Anderson). Die Erzeugung der ersten Antiprotonen gelang 1955 in Berkeley.
Zunächst gab es für die Physiker keinen Grund, warum sich Antimaterie und Materie den gültigen physikalischen Gesetzen entsprechend nicht symmetrisch verhalten sollten. Also müssten auch gleiche Mengen der Materiearten beim Urknall entstanden sein, sich gegenseitig ausgelöscht und ein materieleeres Universum hinterlassen haben. Und sollte dieses Schicksal aus irgendeinem Grunde vermieden worden sein, so müssten noch heute gleiche Teile vorhanden sein.
Mit der Erforschung der subatomaren Teilchen in den 1960er Jahren kam die Erkenntnis, dass es Teilchen gibt, deren Zerfall nur möglich ist, wenn die als Ladungskonjugation und Parität bekannten Symmetrien nicht gelten (CP-Symmetrieverletzung). Im Ergebnis folgerte man, dass sich Materie ein wenig anders verhält, als Antimaterie. Dennoch sollte Antiteilchen mit CP-Symmetrieverletzung, die sich rückwärts in der Zeit bewegen, genauso verhalten, wie normale Materie in der vorwärtsgerichteten Zeit (T); die CPT-Symmetrie sollte ergo nicht verletzt sein.
Eine Möglichkeit, die Einhaltung der CPT-Symmetrie zu beweisen, liegt im Vergleich der Energieniveaus von Elektron und Positron um Proton bzw. Antiproton anhand der Spektren von Wasserstoff und Antiwasserstoff
Das gelungene Experiment der ALPHA-Forschung öffnet hierzu die experimentellen Möglichkeiten.
Zusatzinformationen:
G. B. Andresen et al.:
Trapped antihydrogen.
In: Nature; online erschienen am 17. November 2017, DOI 10.1038/nature09610
Eugenie Samuel Reich:
Antimatter held for questioning. Magnetically trapped atoms could test fundamental physics.
In: Nature; veröffentlicht am 17. November 2017, DOI 10.1038/468355a
Quelle: Berkeley Lab, DOE / Lawrence Berkeley National Laboratory, USA.
ALPHA Experiment: Antihydrogen Laser PHysics Apparatus zur Erzeugung und Speicherung von Antiwasserstoff
Aktualisiert am 18.11.2010.
Permalink: https://www.internetchemie.info/news/2010/nov10/antiwasserstoff-speicherung.php
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