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Teilchenphysik: Antimaterie bereitet Kopfzerbrechen

Seit Langem sind Wissenschaftler einem Unterschied zwischen Materie und Antimaterie auf der Spur. Eine neue Messung hat die Frage nun genauer untersucht als bisherige Experimente.
Antiwasserstoff (Symbolbild)

Es ist nicht leicht, ein Antimaterieforscher zu sein: Eigentlich sollte es einen grundlegenden Unterschied zwischen Materie und Antimaterie geben. Schließlich muss beim Urknall mehr Materie als Antimaterie entstanden sein. Dieser feine Unterschied, der unsere Existenz erst ermöglichte, will sich in Laborexperimenten aber einfach nicht zeigen.

In diesem Sinne ist auch die bisher aufwändigste Untersuchung von »Antiwasserstoff« eine Enttäuschung: Die so genannte 1S-2S-Spektrallinie des Antiatoms gleiche in noch größerem Maße der korrespondierenden Linie bei Wasserstoff als bisher vermutet, berichten Physiker der ALPHA-Kollaboration am Genfer Kernforschungszentrum CERN im Fachmagazin »Nature«.

Eigentlich hatten die Forscher das charakteristische Merkmal bereits vergangenes Jahr gemessen. Die 1S-2S-Spektrallinie bei Wasserstoff markiert den einfachsten Übergang des Elektrons im Orbit des Atomkerns, der im Fall von Wasserstoff aus einem einzelnen Proton besteht. Dabei hüpft das Elektron gewissermaßen in ein höheres Energieniveau. Wenn es wieder herab fällt, sendet es ein Lichtteilchen mit einer festgelegten Wellenlänge aus.

© CERN
Die Geheimnisse von Antiwasserstoff

Antiwasserstoff besteht zwar aus einem Antiproton, das von einem Positron (das Antiteilchen des Elektrons) umkreist wird. Aber offenbar behandeln die Gesetze des Elektromagnetismus die Antimateriepartikel genau gleich, zumindest sendet das Positron beim Sprung in das nächsthöhere Orbital ein Lichtteilchen mit der exakt gleichen Wellenlänge aus. Das hatten bereits die Messungen im vergangenen Jahr gezeigt.

Nun haben die Forscher untersucht, wie sich die Lichtteilchen verändern, wenn man die Energieniveaus von 15 000 Antiwasserstoffatomen mit Hilfe eines Magnetfelds verschiebt und verschiedene Laserstrahlen benutzt, um die Elektronen in höhere Zustände zu schubsen. So konnten die Physiker letztlich Lichtteilchen auffangen, deren Wellenlänge leicht von der des eigentlichen Übergangs abwich. Insgesamt gleiche sowohl die zu Grunde liegende »Hyperfeinstruktur« der einfachsten Orbitalzustände als auch die Form der Spektrallinie der von Wasserstoff, berichten die Wissenschaftler. Ihre Messung war dabei so genau, dass sie Unterschiede in der zwölften Nachkommastelle hätten aufspüren können.

Damit ist ein Unterschied zwischen Wasserstoff und seinem Antimateriependant weiterhin nicht in Sicht. Allerdings sind die Wissenschaftler noch längst nicht am Ende ihres ambitionierten Messprogramms angelangt: Eine ganze Reihe von Präzisionsexperimenten soll in den kommenden Jahren weitere Eigenschaften der Antimaterie sichtbar machen – und könnte dabei vielleicht einen Unterschied zu gewöhnlichen Atomen offenbaren, so die Hoffnung der Forscher.

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