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Teilchenphysik: 270 Zentimeter auf dem Weg zur Antimaterie-Spektroskopie

Spektroskopie von Antiwasserstoff

Wissenschaftler des CERN haben möglicherweise eine entscheidende Hürde bei der Erforschung von Antimaterie genommen: Sie schafften es erstmals, einzelne Atome der exotischen Materie aus ihrer magnetischen Falle herauszubewegen. Das könnte helfen, die Teilchen künftig besser zu untersuchen und so am Ende vielleicht ein zentrales Rätsel der Physik zu beantworten.

Denn kurz nach dem Urknall hätten eigentlich zu gleichen Teilen Antimaterie und normale Materie entstehen müssen – so verlangt es jedenfalls die Theorie. Doch bisher konnten Forscher praktisch keine Atome aus Antimaterie finden, ihre weit gehende Abwesenheit im Weltraum sorgt nach wie vor für Kopfzerbrechen. Nur in speziellen Laboren, wie am Genfer Forschungszentrum CERN, gelingt es, winzige Mengen Antiwasserstoff herzustellen.

Ein Antiwasserstoffatom besteht aus einem negativ geladenen Antiprotonenkern und einem Positron (Antielektron). Es ist somit baugleich mit einem Wasserstoffatom, nur mit umgekehrten Ladungen. Auch die physikalischen Eigenschaften des Antiwasserstoffs müssten die gleichen sein wie die seines gut erforschten Gegenstücks. Das zumindest ist die Aussage eines grundlegenden physikalischen Gesetzes, des CPT-Theorems. Um diese Annahme zu prüfen, hoffen Wissenschaftler darauf, die künstlich hergestellte Antimaterie bald spektroskopisch untersuchen und dadurch mit normaler Materie vergleichen zu können. Bei der Spektroskopie wird Antiwasserstoff mit Mikrowellen bestrahlt und das von ihm emittierte Lichtspektrum analysiert. Abweichungen von den Eigenschaften des Wasserstoffs könnten das Standardmodell der Elementarteilchenphysik grundsätzlich in Frage stellen und den Verbleib der Antimaterie erklären helfen.

Spektroskopie von Antiwasserstoff | Schematische Darstellung des Experimentalaufbaus. Im linken Bereich werden die Antiwasserstoffatome erzeugt; einige von ihnen fliegen weiter nach rechts, wo sie mit Mikrowellen bestrahlt werden (grün), passieren einen Sechspolmagneten (rot und grau) und treffen schließlich auf den Antiwasserstoffdetektor (gold).

Ganz einfach ist diese Analyse allerdings nicht. Denn sobald die Antimaterie auf Materie trifft, vernichten sich beide gegenseitig. Mit Hilfe starker Magnetfelder lassen sich die Antiatome zwar für einige Minuten erhalten, da dort dieses Aufeinandertreffen verhindert wird – allerdings sind sie unter magnetischem Einfluss nicht mehr spektroskopisch analysierbar. Am CERN ist man der Analyse nun ein Stück näher gekommen, indem es gelang, Antimaterie in einem kontrollierten Strahl aus dem Magnetfeld herauszubewegen. 80 der kurzlebigen Antiwasserstoffatome wurden von Naofumi Kuroda von der Universität Tokio und seinen Kollegen im Rahmen des ASACUSA-Projekts insgesamt 2,70 Meter von ihrem Erzeugungsort entfernt nachgewiesen. Dort, wo das störende Magnetfeld schwächer ist, sollen die Antiatome nun "im Flug" spektroskopisch untersucht werden. Die erfolgreiche Erzeugung des Antiwasserstoffstrahls könnte ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur geplanten Präzisionsspektroskopie sein, sagen Kuroda und Kollegen.

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