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Kühlung und Speicherung von Antiprotonen

Mit einem neuen Verfahren lassen sich die in Beschleunigern erzeugten hochenergetischen Antiteilchen der Protonen abbremsen und einsperren. Die Untersuchung dieser Partikel niedrigster Energie liefert die bisher genauesten Vergleiche der Eigenschaften von Materie und Antimaterie.

Wie speichert man ein Antiproton? Dieses Antiteilchen zu dem uns vertrauten Proton (das wie das Neutron und das Elektron einer der Bausteine der gewöhnlichen Materie ist) unterscheidet sich von diesem augenscheinlich nur dadurch, daß es eine negative statt einer positiven elektrischen Ladung trägt. Stößt ein Antiproton mit einem Proton zusammen, zerstrahlen beide zu Energie, aus der wiederum zahlreiche andere Teilchen (zumeist Pionen) entstehen. Folglich dürfen Antiprotonen weder mit der Wandung eines Behälters noch mit den Atomen der Luft in Berührung kommen; sie lassen sich mithin nur in einem nahezu perfekten Vakuum aufbewahren, und die Behälterwände müssen aus magnetischen und elektrischen Feldern gebildet sein.

In den letzten Jahren hat man nun bei den Versuchen, Antiprotonen zu kühlen und zu speichern, bemerkenswerte Fortschritte erzielt. Die Speicherung selbst mit Hilfe von Magnetfeldern ist nichts Besonderes mehr, seit 1955 der Bevatron-Speicherring an der Universität von Kalifornien in Berkeley zu diesem Zwecke fertiggestellt wurde. In Speicherringen sind die Teilchen jedoch gleichsam heiß: Sie bewegen sich annähernd mit Lichtgeschwindigkeit und haben daher außerordentlich hohe Energien, die von einer Milliarde bis zu einer Billion Elektronenvolt (Gigaelektronenvolt oder GeV beziehungsweise Teraelektronenvolt oder TeV) reichen. Für Kollisionsexperimente ist dies in der Regel auch erwünscht oder zumindest kein Problem. Für andere Experimente jedoch, mit denen Physiker ihre Theorien von Materie und Antimaterie sowie der zugrundeliegenden Naturgesetze mit hoher Präzision überprüfen wollen, benötigt man quasi kalte Antiprotonen, die niedrige Energien haben und sich mithin nur langsam bewegen.

Kürzlich ist es einer kleinen internationalen Arbeitsgruppe (der auch ich angehöre) gelungen, Antiprotonen auf weniger als ein Zehnmilliardstel der noch vor sechs Jahren erreichbaren Energien abzubremsen und zu kühlen (Bild 2). Derart kalte Antiprotonen lassen sich selbst mehrere Monate lang in einem fast perfekten Vakuum, das einen weniger als einen Kubikmillimeter großen Raumbereich einnimmt, speichern. Ihre mittlere Energie – weniger als ein tausendstel Elektronenvolt – ist so gering, daß man sie üblicherweise in Temperatureinheiten angibt. (0,025 Elektronenvolt entsprechen etwa 300 Kelvin.) In unserem Speicher haben die Antiprotonen eine Temperatur von nur vier Kelvin, das sind vier Grad über dem absoluten Nullpunkt der Temperaturskala.

Bereits jetzt vermochte man damit die Genauigkeit von Ladungs- und Massevergleichen zwischen Antiprotonen und Protonen um mehr als das Tausendfache zu erhöhen. Mit solchen Vergleichen läßt sich das sogenannte CPT-Theorem der Teilchenphysik, demzufolge Antiprotonen und Protonen identische Massen und dem Betrag nach gleiche Ladungen haben, auf überzeugende Weise überprüfen (das Theorem und das Kürzel werden in einem folgenden Abschnitt erläutert). Für die nächsten Jahre erwarten wir noch eine erhebliche Steigerung der Meßgenauigkeit.

Vielleicht gelingt es eines Tages sogar, aus kalten Antiprotonen die ersten Antimaterie-Atome zu erzeugen. Das einfachste dieser Atome, der Antiwasserstoff, bestünde aus einem Antiproton und einem Positron (dem Antiteilchen des Elektrons).

Erzeugung von Antiprotonen

In der Natur kommen Antiprotonen nur als seltene Reaktionsprodukte der Kollisionen von Teilchen der hochenergetischen kosmischen Strahlung mit Atomen in der Erdatmosphäre vor. Wenngleich sie an sich wohl stabil sind (also nicht spontan in andere Teilchen zerfallen), existieren sie nur für außerordentlich kurze Zeit, denn sobald sie auf Protonen in der Atmosphäre treffen, zerstrahlen sie.

Künstlich erzeugt man Antiprotonen, indem man in Teilchenbeschleunigern Protonen sehr hoher Energie auf einen Festkörper schießt. Am CERN, dem europäischen Laboratorium für Teilchenphysik in der Nähe von Genf, läßt man Antiprotonen und Protonen in großer Zahl miteinander kollidieren, um die dabei entstehenden kurzlebigen W- und Z-Teilchen zu untersuchen. Am Fermi National Accelerator Laboratory – kurz Fermilab genannt – in Batavia (Illinois) werden noch höherenergetische Zusammenstöße zwischen Antiprotonen und Protonen untersucht, um endlich das seit langem gesuchte Top-Quark zu finden. Dieses ominöse Teilchen ist der einzige von sechs Bausteinen der schweren Elementarteilchen (der Hadronen, zu denen auch das Proton gehört), der noch immer nicht nachgewiesen werden konnte.

Im Jahre 1982 bauten CERN-Mitarbeiter aus Teilen älterer Speicherringe den Niederenergie-Antiprotonen-Ring (Low Energy Antiproton Ring, LEAR) zusammen. Sein Umfang von nur 79 Metern ist im Vergleich zum geplanten 85 Kilometer langen Supraleitenden Super-Collider (SSC) mit einer Energie von 20 Teraelektronenvolt geradezu winzig. Im LEAR aber werden Antiprotonen routinemäßig auf eine Energie von nur sechs Megaelektronenvolt (MeV, Millionen Elektronenvolt) – entsprechend etwa einem Zehntel der Lichtgeschwindigkeit – abgebremst und gekühlt.

Gegenüber diesem Wert läßt sich mit unserem Gerät die Energie der Antiprotonen noch um zehn Größenordnungen – also auf ein Zehnmilliardstel der LEAR-Temperatur – senken. Es ist zudem so klein, daß es in nahezu jedem Labor Platz findet. Das einzige Problem ist bislang, daß es am Ende einer Reihe hintereinandergeschalteter großer Teilchenbeschleuniger (wie der des CERN) angeschlossen sein muß, mit denen Antiprotonen auf nur wenige MeV vorgekühlt werden können.

Pionierarbeit

Im Jahre 1981 besuchte ich das Fermilab, um herauszufinden, wie man sehr kalte Antiprotonen einfangen und speichern könnte. Dieses Forschungszentrum lag näher an meiner Arbeitsstätte als CERN, und es betrieb einen kleinen Speicherring, der sich für unser Projekt zu eignen schien. Leider jedoch konzentrierten sich die Arbeiten dort auf hochenergetische Kollisionen zwischen Protonen und Antiprotonen, so daß für die geplanten niederenergetischen Experimente kaum Möglichkeiten bestanden; mit Kühlvorrichtungen hatte man nichts im Sinn.

Drei Jahre später wurden Teile des kleinen Speicherrings an andere Einrichtungen weitergegeben. Da nun LEAR die weltweit einzige Maschine war, die Antiprotonen auf den für unseren vorgeschlagenen Apparat erforderlichen MeV-Energiebereich abbremsen konnte, beschlossen William Kells vom Fermilab und ich, ein Experiment in Genf aufzubauen; außerdem stießen Hartmut Kalinowsky von der Universität Mainz und Thomas A. Trainor von der Universität von Washington in Seattle zu unserer Arbeitsgruppe.

Aufsichtsgremien und Verwaltung des CERN nahmen unsere Vorschläge skeptisch auf. Wir planten, die Antiprotonen in Materie abzubremsen, sie dann in einer Penning-Falle einzufangen und dort durch Kollisionen mit kalten Elektronen weiter abzukühlen. (In einer solchen nach dem holländischen Physiker Frans Michel Penning benannten Falle werden geladene Teilchen mit statischen magnetischen und elektrischen Feldern eingeschlossen.) Diese Verfahren unterschieden sich tatsächlich in vielerlei Hinsicht von den üblichen Kollisionsexperimenten mit hochenergetischen Teilchen und waren noch nicht erprobt. Zudem stand unser Vorhaben in direkter Konkurrenz mit einem anderen geplanten Experiment (einem großen Radiofrequenz-Massenspektrometer), in das CERN bereits viel Zeit und Geld investiert hatte.

Bedenken hatte man auch wegen der mangelnden finanziellen Unterstützung unseres Projektes. Umgekehrt zögerten amerikanische Institutionen, ein neues Vorhaben am CERN zu finanzieren, ohne daß dieses zuvor ausdrücklich zugestimmt hätte. Glücklicherweise erhielten wir zunächst von der Abteilung für Atomphysik der National Science Foundation der USA und, etwas später, von der Abteilung für wissenschaftliche Forschung der US-Luftwaffe sowie vom National Bureau of Standards zustimmende Bescheide. Einige Zeit später beteiligte sich auch das deutsche Bundesministerium für Forschung und Technologie.

Im Mai 1986 stellte uns CERN 24 Stunden Strahlzeit am LEAR zur Verfügung, um nachweisen zu können, daß sich die Antiprotonen von mehreren Millionen auf wenige tausend Elektronenvolt abbremsen ließen. Das funktionierte; und so erhielten wir zwei Monate später eine weitere 24stündige Strahlzeit, während der wir zeigen wollten, daß man die abgebremsten Antiprotonen auch einfangen kann.

Leider war die Vorbereitungszeit so knapp bemessen, daß wir nicht alle für den Bau der Penning-Falle benötigten Teile besorgen konnten. Wir borgten uns daher einen alten supraleitenden Magneten und suchten uns Glas-Kupfer-Dichtungen aus den Schubladen einer Glasbläserei zusammen. Damit bastelten wir in nur einem Tag eine Penning-Falle (Bild 4). Wir kühlten sie auf vier Kelvin ab, indem wir sie in einen mit flüssigem Helium gefüllten Dewar (ein vakuum-isoliertes Gefäß ähnlich einer Thermoskanne) setzten. Nachdem wir unser Gerät in den USA getestet hatten, ließen wir es, da die Zeit knapp und der Dewar sehr empfindlich war, eigens per Luftfracht zum CERN bringen. Erst als wir in Genf die Scherben unserer Konstruktion auspackten, erfuhren wir, daß sie auf einem rüttelnden Laster durch halb Europa gereist war.

Die Reparatur des Dewar erforderte Improvisationsgeschick. Ich werde nie vergessen, wie wir mit einer spuckenden Handlötlampe Hartlot auf dünnen Rohren zu schmelzen versuchten – das Ganze im Innern eines Apparates, der an einem freistehenden Träger in einem der CERN-Flure an einem Seil aufgehängt war. Wenige Tage vor Strahlzeit-Beginn am Freitag, dem 17. Juli um zwölf Uhr mittags, hatten wir es geschafft. Nun mußten wir nur noch unseren Computer mit den LEAR-Geräten verbinden und die Software anpassen, um unsere Antiprotonen-Einfangversuche auswerten zu können.

Dann, am späten Donnerstag abend, geschah das Unglück: Jedesmal, wenn wir versuchten, an unsere Penning-Falle die benötigte Hochspannung anzulegen, sprang tief unten im kältesten Teil des Geräts ein Lichtbogen über. In nur zwölf Stunden sollte die Strahlzeit beginnen, und bisher hatte es immer mehrere Tage gedauert, um die Falle auf Raumtemperatur zu erwärmen und anschließend wieder auf vier Kelvin abzukühlen. Zwei von unserem Vierer-Team gaben entmutigt auf und gingen zu Bett.

Der Durchbruch

Da man bei CERN ohnehin schon an der Durchführbarkeit unserer Experimente zweifelte, hätte ein Fehlschlag zu Beginn unserem Vorhaben schwer geschadet. Wir mußten also wieder eine Reparatur versuchen. Als wir das kalte Gerät öffneten, schlug sich Kondenswasser an der Superisolierung nieder, obwohl wir sie mit drei großen Heizlüftern zu erwärmen suchten. Nachdem wir den Kurzschluß durch Auswechseln der Hochspannungskabel behoben hatten, trockneten und reinigten wir alle Teile und bauten das Gerät wieder zusammen; um zehn Uhr am Freitag konnten wir schließlich erneut mit dem Abkühlen beginnen.

Wir teilten dem LEAR-Kontrollraum mit, daß wir kurz nach zwölf Uhr bereit seien. Unsere von Müdigkeit gedämpfte Vorfreude war jedoch nur von kurzer Dauer. Man teilte uns telephonisch mit, daß die Antiprotonen zwar in einem der großen CERN-Speicherringe zur Verfügung ständen, der „Kicker“, mit dem sie ausgelenkt werden sollten, jedoch defekt sei. Wir mußten befürchten, unverrichteter Dinge wieder abzureisen. Damit schien unser Experiment endgültig zum Scheitern verurteilt, denn in Kürze sollte LEAR für mehr als ein Jahr abgeschaltet werden. Ich machte allen Beteiligten noch einmal den Ernst der Situation klar, bevor ich ins Bett wankte.

Einige Stunden später weckte man mich. Einem begnadeten CERN-Techniker war es gelungen, einen Ersatz-Kicker erstmals betriebsbereit zu machen. Kurz darauf war LEAR bereit, uns Antiprotonen-Pulse zu liefern. (Jeder Puls enthielt etwa 100 Millionen Antiprotonen und dauerte etwa 200 milliardstel Sekunden.) Die Operateure zählten wie bei einem Raketenstart den Countdown mit und drückten bei „Jetzt“ einen grünen Knopf.

Nun endlich, nachdem wir noch einmal mehrere Stunden darauf verwandt hatten, die Abstimmungselektronik einzustellen, wurden unsere Mühen belohnt: Die Meßgeräte registrierten Pionen, die bei der Vernichtung von kurzzeitig in unserer Falle eingefangenen Antiprotonen entstanden.

Nach all den Ungewißheiten und Rückschlägen fühlten wir uns selig. Während des Countdowns hatten sich die LEAR-Operateure und Physiker anderer Experimente um die Kontrollkonsole versammelt. Jedesmal, wenn der Computermonitor anzeigte, daß Antiprotonen eingefangen und gespeichert wurden, brach lauter Beifall aus. Einige der Partikel blieben 20 Minuten lang in der Falle. Damit war die Durchführbarkeit unserer Experimente bewiesen.

Kühlung durch Elektronen

Am CERN wichen die früheren Zweifel einer deutlichen Begeisterung: Während der einjährigen LEAR-Betriebsunterbrechung wurde eine halbpermanente Verbindung zu unserem Experiment hergestellt. Unser heutiges Gerät, das wir 1988 installiert haben, ruht auf einer 4,30 Meter hohen Plattform (Bild 3). Das Herzstück des Antiprotonenkühlers ist die Penning-Falle, ein in einem Magnetfeld befindlicher Stapel goldbeschichteter Kupferringe (Bild 1). In ihr bewegen sich geladene Teilchen auf Kreisbahnen senkrecht zu den Magnetfeldlinien. Dieses Feld, das mit sechs Tesla ungefähr zehnmal stärker ist als das eines starken Dauermagneten, wird von einer supraleitenden, aus einem 40 Kilometer langen Draht gewickelten Spule erzeugt, durch die ein Strom von 37 Ampere verlustfrei fließt. Zusätzliche Korrekturspulen sorgen dafür, daß das Magnetfeld in dem kleinen Volumen, in dem sich die Antiprotonen aufhalten, homogen ist.

Hochspannungselektroden am oberen und unteren Ende des Geräts hindern geladene Teilchen am Entweichen. Bevor Antiprotonen eingeschossen werden, speichert man in der Falle Elektronen in Form einer kleinen Wolke und zwingt sie durch die negativ geladenen Ringelektroden beiderseits des kleinen Einfangbereichs in die Fallenmitte. Innerhalb von ungefähr einer Zehntelsekunde strahlen sie ihre Energie ab, bis sie auf vier Kelvin – die Temperatur der umgebenden Elektroden – abgekühlt sind. Nun ist die Falle vorbereitet.

Die vom LEAR kommenden 6-MeV-Antiprotonen treten durch die Bodenelektrode in die Falle ein und werden sofort durch Stöße mit den Atomen des Elektrodenmaterials abgebremst. Einige kommen bereits innerhalb der Elektrode zum Stillstand und zerstrahlen. Andere dringen mit einer Energie von mehr als 3000 Elektronenvolt (3 Kiloelektronenvolt, keV) in die Falle ein, gelangen zur oberen Elektrode und zerstrahlen dort. Die übrigen Antiprotonen, also solche mit Energien unter 3 keV, können wir einfangen. Durch die Wahl der Elektrodendicke läßt sich ihre Zahl auf etwa ein Fünftausendstel der einfallenden Antiprotonen maximieren.

Die gefilterten Antiprotonen fliegen nach oben, bis sie von der dortigen Elektrode abgestoßen werden und nach unten umkehren. Damit sie nicht entkommen, schließt man gleichsam das Eintrittsfenster, indem man die Bodenelektrode in weniger als 20 milliardstel Sekunden auf eine negative Spannung von 3000 Volt legt (Bild 5).

Die eingefangenen Antiprotonen oszillieren nun in der zwölf Zentimeter langen Falle auf und ab, wobei sie immer wieder die Elektronenwolke durchdringen und infolge der dabei auftretenden Stöße so viel Energie verlieren, daß sie sich nach knapp zwei Minuten im thermischen Gleichgewicht mit den Elektronen befinden. (Elektronen sind als Kühlmittel besonders gut geeignet, weil sie die Antiprotonen nicht vernichten können.) Üblicherweise werden pro LEAR-Puls etwa 10000 Antiprotonen gekühlt. Anschließend entfernt man die Elektronen, indem man sie selektiv mit Radiowellen erwärmt und für kurze Zeit die Elektrodenspannung verringert. Selbst bei einer Speicherzeit von zwei Monaten haben wir kein einziges der kalten Antiprotonen verloren.

Die erfolgreiche Langzeitspeicherung ist ein unmittelbarer Nachweis, daß das Antiproton mindestens 3,4 Monate lang stabil ist. Wenn dies auch nicht mit der Untergrenze von 1025 Jahren für die Lebensdauer des Protons zu vergleichen ist, so ist unsere Messung doch der längste direkt bestimmte Wert für das Antiproton. Möglich war sie nur aufgrund des geringen Restgasgehalts in der Falle von weniger als 100 Atomen pro Kubikzentimeter. Diesen außerordentlich guten Wert (entsprechend einem Luftdruck von 5¥10–17 Torr, einem Millionstel dessen, was kommerzielle Vakuummeßgeräte nachweisen können) konnten wir erzielen, weil die Restgasatome im sorgfältig abgedichteten Behälter an den kalten Elektroden gleichsam kleben blieben.

Proton- und Antiproton-Masse

Die Speicherung sehr kalter Antiprotonen ermöglichte es uns nun, die Masse dieses Antiteilchens mit der des Protons zu vergleichen, und zwar tausendmal genauer als zuvor. An diesem Projekt nahmen Xiang Fei, Luis A. Orozco, Steve L. Rolston und Robert L. Tjoelker aus meiner Arbeitsgruppe an der Harvard-Universität sowie Johannes Haas von der Universität Mainz teil.

Die Massenbestimmungen beruhen auf dem Umstand, daß schwerere Teilchen sich langsamer auf ihrer Kreisbahn um Magnetfeldlinien bewegen als leichtere – Physiker sagen, ihre Zyklotronfrequenz ist geringer. Die Teilchenmasse läßt sich errechnen, wenn man die Ladung des Teilchens mit der im Versuch benutzten Magnetfeldstärke multipliziert und durch die gemessene Zyklotronfrequenz dividiert. Bei der Auswertung muß man noch berücksichtigen, daß die Teilchen infolge von Störeffekten, die man nicht restlos beseitigen kann, keine exakten Kreisbahnen durchlaufen. Bei unserem Experiment vollführten die Antiprotonen und Protonen etwa 90 Millionen Umläufe pro Sekunde; die gemessenen Frequenzen stimmten dabei innerhalb der Meßgenauigkeit von 4¥10–8 überein (Bild 6).

Da das Magnetfeld bei den Protonen- und Antiprotonen-Messungen dieselbe Stärke hatte, müssen auch die Verhältnisse aus Ladung und Masse für beide Teilchen innerhalb dieser Genauigkeit übereinstimmen. Folglich gilt das gleiche für die Masse beider Teilchen, wenn man annimmt, daß der Absolutwert der Ladung von Antiproton und Proton derselbe ist.

Das Konstanthalten des Magnetfeldes während der Messungen war nicht einfach, weil die Magneten des nahegelegenen Teilchenbeschleunigers alle 2,4 Sekunden ein- und ausgeschaltet wurden. Glücklicherweise fanden mein Doktorand Joseph N. Tan und ich eine Lösung: Wir installierten eine supraleitende Spule, die alle Änderungen im äußeren Magnetfeld registriert und kompensiert, indem sie ihr eigenes Feld verändert. Auf diese Weise vermochten wir die Feldschwankungen um den Faktor 156 zu verringern. Für diese Erfindung wurde uns mittlerweile wegen ihrer möglichen Anwendungen in der Kernspintomographie und in der Ionenzyklotron-Resonanzmassenspektroskopie ein Patent erteilt; sie ist ein hervorragendes Beispiel für die fruchtbare Zusammenarbeit von Grundlagenforschung und industrieller Technologie.

Die Stellen ausgeschiedener Doktoranden und promovierter Mitarbeiter nahmen Wonho Jhe, David Phillips und Wolfgang Quint aus meiner Gruppe an der Harvard-Universität und Julian Gröbner von der Universität Mainz ein. Unsere vorbereitenden Arbeiten lassen hoffen, daß wir die Genauigkeit unserer Messungen schon bald erheblich verbessern können – bereits jetzt haben wir sie um das Vierzigfache gesteigert.

Wir untersuchen auch die Möglichkeit, das magnetische Moment des Antiprotons zu vermessen. Das Teilchen verhält sich nämlich wie ein winziger Stabmagnet, dessen Stärke das magnetische Moment ist.

Noch genauere Vergleiche zwischen Antiprotonen und Protonen werden in der unmittelbaren Nähe von Teilchenbeschleunigern wohl kaum möglich sein; folglich müßte man die kleine Teilchenfalle samt der darin festgehaltenen Antiprotonen an einen anderen Ort verfrachten. Daß dies möglich ist, demonstrierten kürzlich mein Mitarbeiter Ching-Huo Tseng und ich, als wir eingefangene Teilchen über nahezu 5000 Kilometer quer durch die Vereinigten Staaten (von Kalifornien über Nebraska nach Massachusetts) transportierten.

CPT-Invarianz

Der Vergleich der Zyklotronfrequenzen von Antiproton und Proton ist ein Test für die Gültigkeit der CPT-Invarianz. Historisch gesehen hat man zunächst die Parität P untersucht, die das Verhalten eines physikalischen Systems gegenüber seiner räumlichen Spiegelung beschreibt. Stellen Sie sich einmal vor, Sie machen ein Experiment und beobachten das Resultat in einem Spiegel. Dann führen Sie ein zweites Experiment durch, das ein genaues Spiegelbild des ersten ist, und beobachten sein Ergebnis ohne Spiegel. Wenn nun der untersuchte physikalische Vorgang paritätsinvariant ist (die Parität also erhalten bleibt), dann ist das direkt beobachtete Ergebnis des zweiten Versuchs identisch mit dem im Spiegel beobachteten des ersten.

Bis 1956 nahm man an, daß die physikalische Wirklichkeit bezüglich einer solchen Paritätstransformation invariant sei. Dann jedoch bemerkten Tsung-Dao Lee und Chen Ning Yang, die damals an der Columbia-Universität in New York beziehungsweise am Institute for Advanced Study in Princeton (New Jersey) tätig waren, daß die schwache Wechselwirkung, die für den radioaktiven Zerfall verantwortlich ist, noch nicht auf Paritätsinvarianz untersucht worden war. Noch im selben Jahr gelang Chien Shiung Wu und ihren Mitarbeitern an der Columbia-Universität tatsächlich der Nachweis, daß Spiegelbild-Experimente, bei denen die schwache Wechselwirkung eine Rolle spielt, keine identischen Ergebnisse hervorbringen. Der weitverbreitete Glaube an die Paritätserhaltung war damit zerstört.

Nun dachte man, daß die Naturgesetze wenigstens gegenüber der kombinierten Transformation CP invariant seien. Hierbei steht C für die Ladungskonjugation, gleichsam einem Gedankenexperiment-Prozeß, bei dem sich jedes Teilchen in sein entsprechendes Antiteilchen verwandelt. Um die CP-Erhaltung zu überprüfen, entwirft man ein Spiegelbild-Experiment, bei dem alle Teilchen durch ihre Antiteilchen ersetzt sind. Im Jahre 1964 wiesen James Cronin und Val L. Fitch, damals an der Universität Princeton, unerwarteterweise anhand des Zerfalls von Kaonen eindeutig nach, daß auch die CP-Invarianz nicht universell gilt (siehe Spektrum der Wissenschaft, April 1988, Seite 70).

Heute glauben die meisten Physiker an die CPT-Invarianz (T steht für Zeitumkehr). Bislang gibt es noch keine Theorie, bei der diese Invarianz verletzt wäre. Man kann sie testen, indem man zunächst das Spiegelbild eines Experiments, bei dem alle Teilchen durch ihre Antiteilchen ersetzt worden sind, filmt. In einem zweiten Experiment simuliert man dann genau das, was ein Beobachter im rückwärts laufenden Film – also unter Zeitumkehr – sehen würde.

Falls die CPT-Invarianz gelten sollte, müßten die Zyklotronfrequenzen von Proton und Antiproton identisch sein – was sich mit unserem Experiment, das einer der genauesten Tests dieser Invarianz ist, überprüfen läßt. Eine mögliche Verletzung müßte mithin kleiner sein als unsere Meßungenauigkeit. Wir werden sehen, ob die CPT-Erhaltung einer noch genaueren Überprüfung standhält.

Antimaterie-Atome?

Vielleicht gelingt es eines Tages, mit Hilfe sehr kalter Antiprotonen Antiwasserstoff zu erzeugen, bei dem ein Antiproton als Kern von einem Positron umkreist wird. (Positronen oder Antielektronen entstehen auf natürliche Weise beim radioaktiven Zerfall von Atomkernen.) Bringt man viele gekühlte Antiprotonen und Positronen zusammen, müßten sich – geeignete Versuchsbedingungen vorausgesetzt – zumindest einige Antiwasserstoffatome bilden.

Im Jahre 1986 habe ich vorgeschlagen, solche sehr kalten Antimaterie-Atome herzustellen und mit Hilfe ihrer magnetischen Momente in einer Falle für neutrale Teilchen einzuschließen. Auch die Speicherung von Antiwasserstoff-Ionen, die aus einem Antiproton als Kern und zwei Positronen in der Hülle bestehen, ist denkbar.

An solchen Atomen aus Antimaterie könnte man zahlreiche wichtige Experimente durchführen. Über Vergleiche der internen Oszillationsfrequenzen von Antiwasserstoff und Wasserstoff ließe sich die CPT-Erhaltung mit bislang unerreichter Genauigkeit überprüfen. Möglicherweise ließe sich auch das Verhalten des Antimaterie-Atoms unter dem Einfluß der Schwerkraft messen, da dieses ja elektrisch neutral und somit gegenüber elektromagnetischen Feldern verhältnismäßig unempfindlich wäre.

Bis zur Herstellung von Antiwasserstoff wird freilich noch einige Zeit vergehen. Die Produktion wäre sicherlich nur in sehr kleinen Mengen möglich. Es müßten Verfahren entwickelt werden, mit denen der Antiwasserstoff so weit abgekühlt werden könnte, daß er sich einfangen ließe. Herkömmliche Kühlverfahren sind dazu ungeeignet, da sie die Atome über direkten Kontakt mit kalten Oberflächen kühlen – dabei würde Antimaterie jedoch sofort zerstrahlen. Auch ist noch nicht erwiesen, ob exakte spektroskopische Messungen an nur wenigen Atomen in einer Falle überhaupt möglich sind; immerhin wäre der Umstand hilfreich, daß einzelne Atome von Antiwasserstoff leichter nachzuweisen wären als solche von gewöhnlichem Wasserstoff, da bei jeder Zerstrahlung Pionen entstünden.

Für die Herstellung von Antiwasserstoff wäre eine möglichst große Zahl kalter Antiprotonen vonnöten. Inzwischen haben wir gezeigt, daß Antiprotonen mehrerer aufeinanderfolgender LEAR-Pulse gespeichert werden können. Dazu leitet man die Elektronen nicht nach jedem Antiprotonenpuls ab, sondern beläßt sie zum Abkühlen weiterer Pulse in der Falle. Auf diese Weise haben wir in nur einer Stunde mehr als 100000 kalte Antiprotonen gesammelt. In unserem Gerät sollten sich bis zu einer Million Antiprotonen einfangen und abkühlen lassen; mit einer größeren Falle und höheren Spannungen könnten es vielleicht noch mehr sein.

Über die künftige Entwicklung dieser neuen Forschungsrichtung kann man nur spekulieren. Experimente an kalten Antiwasserstoff-Atomen werden vermutlich nur geringen technischen Aufwand erfordern, so daß sie sich in der studentischen Ausbildung einsetzen ließen – insbesondere, wenn es gelänge, Antiprotonen von dem Beschleuniger in andere Labors zu transportieren.

Gegenwärtig können wir nur einen winzigen Bruchteil der großen Zahl von Antiprotonen abschöpfen, die von den für hohe Energien konstruierten Teilchenbeschleunigern erzeugt werden. Der Trend geht jedoch zu Hochenergie-Experimenten mit Protonen anstelle von Antiprotonen. Damit die begonnenen Untersuchungen fortgesetzt werden können, ist es freilich unerläßlich, daß auch künftig Antiprotonen-Quellen zur Verfügung stehen.



Aus: Spektrum der Wissenschaft 2 / 1993, Seite 44
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
2 / 1993

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 2 / 1993

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