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Teilchenphysik: Bisher schwersten Atomkern aus Antimaterie erzeugt

Trümmer einer Kollision von unzähligen Goldatomen
In einem Teilchenbeschleuniger am Brookhaven National Laboratory im US-Bundesstaat New York haben Wissenschaftler erstmals einen Heliumkern aus zwei Antiprotonen und zwei Antineutronen erzeugt. Es ist das bisher schwerste Element im Periodensystem der künstlich produzierten Antimaterie. Antihelium-3, aus zwei Antiprotonen und einem Antineutron, hatte man dagegen bereits 1970 nachgewiesen.

Trümmer einer Kollision | Der STAR-Detektor am Beschleunigerring für relativistische Schwerionen des Brookhaven National Laboratory nahm diese Teilchenspuren nach der Kollision von unzähligen Goldatomen auf. Zwei Strahlen aus Goldionen prallten kurz vorher mit einer Energie von jeweils 100 Gigaelektronvolt aufeinander. In den Kollisionstrümmern können auch Antiatomkerne entstehen.
Das Antihelium entstand im Beschleunigerring für relativistische Schwerionen, wo die Forscher Goldionen bei Energien von 200 Gigaelektronvolt aufeinanderprallen ließen. Die Überreste von einer Milliarde solcher Kollisionen wiesen die mehr als 500 beteiligten Forscher aus zwölf verschiedenen Ländern mit dem Experiment STAR (Solenoidal Tracker At Rhic) nach. Unter den Teilchen entdeckten sie unter anderem 18 Antiteilchen des Elements Helium-4 – zusammengesetzt aus zwei Antiprotonen und zwei Antineutronen.

Möglich sei deren Produktion durch die enorm hohe Energiedichte bei den Zusammenstößen der Goldteilchen – vergleichbar mit derjenigen, die nur Mikrosekunden nach dem Urknall herrschte. Auch im Beschleuniger entstehen Quarks und Antiquarks zu nahezu gleichen Teilen und bilden wie auch im frühen Universum ein so genanntes Quark-Gluon-Plasma. Allerdings kann sich das Plasma im Experiment der Forscher schneller ausdehnen und damit abkühlen, so dass Antiteilchen entstehen können, noch bevor sich Materie und Antimaterie gegenseitig auslöschen.

Spur von Antihelium | Im Detektor STAR zeigten sich nach der Kollision von energiereichen Goldionen auch Spuren von Antihelium-4 (hier rot markiert).
Die nun gemessene Produktionsrate von Antihelium-4 stimmt mit theoretischen Vorhersagen überein: Mit jedem weiteren Kernbaustein sinkt die Produktionsrate von Antikernen um das Tausendfache. In gegenwärtigen Beschleunigern ließe sich Antilithium-6 – das nächstschwerere Element nach Antihelium – deshalb nicht erzeugen, meinen die Wissenschaftler.

Im Weltall sollten Antiatomkerne auf natürliche Weise entstehen. Nachweisbar dürften die schwereren Exemplare, wie Antihelium-4, auf Grund der niedrigen Produktionsraten allerdings nicht sein. Fände man sie doch, müsste es im Universum große Mengen davon geben und damit einen bisher unbekannten Erzeugungsmechanismus.

Wegen dieser schwer wiegenden Folgen haben Wissenschaftler Detektoren konstruiert, die in der kosmischen Strahlung nach Antikernen suchten – bisher erfolglos. Im April 2011 will die NASA ein weiteres Nachweisgerät ins All befördern: Auf der Internationalen Raumstation soll das Alpha-Magnet-Spektrometer dann für viele Jahre nach kosmischer Antimaterie suchen. (mp)

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