News: Ein kurzer Blick durch den Spiegel
Antimaterie: Das klingt geheimnisvoll und exotisch. Jetzt gelang es Wissenschaftlern nicht nur, einige tausend Anti-Wasserstoff-Atome herzustellen, sie konnten sogar einen ersten Blick in deren innere Struktur werfen.
© CERN (Ausschnitt)
Bei der Antimaterie steht die Welt Kopf: Denn die Teilchen, aus denen sie besteht, sind elektrisch genau anders herum geladen als bei normaler Materie. So ist der Anti-Atomkern negativ und die ihn umgebenden Anti-Elektronen - die so genannten Positronen - positiv geladen. Die Folgen dieser Spiegelstruktur sind dramatisch: Berührt Antimaterie Materie, zerstrahlt beides zu Energie - nach der Einsteinschen Formel E=mc2 zu sehr viel Energie. Dabei würden wir den Anti-Atomen - solange man sie von normalen Atomen fernhält - ihre besondere Natur wahrscheinlich gar nicht anmerken. Denn viele Wissenschaftler sind davon überzeugt, dass Anti-Materie genau dieselben Eigenschaften hat wie normale Materie.
Doch das wollen gleich zwei Arbeitsgruppen der Organisation Européenne pour la Recherche Nucleaire (CERN) – dem Europäischen Zentrum für Teilchenphysik in Genf – experimentell überprüfen: die ATHENA und die ATRAP-Kollaboration. Zu diesem Zweck mussten sie aber zunächst eine wichtige Hürde nehmen: die Herstellung von genügend Antimaterie. Und das erwies sich selbst für das elektrische Spiegelbild des einfach aufgebauten Wasserstoffs - der nur aus einem Proton und einem Elektron besteht - als äußerst schwierig.
Den erhofften Durchbruch schafften schließlich letzten Monat Wissenschaftler der ATHENA-Gruppe. Sie gaben die erfolgreiche Erzeugung von mehr als 50 000 Anti-Wasserstoff-Atomen - bestehend aus einem Positron und einem Anti-Proton - bekannt, die sie bei Temperaturen nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt in einer magnetischen Flasche erzeugen und speichern konnten [1].
50 000, das klingt nach sehr viel. Tatsächlich aber enthält schon ein Liter normaler Wasserstoff bei Zimmertemperatur ungleich mehr - nämlich ungefähr 2,7 x 1022 - Atome. Der Anti-Wasserstoff könnte also noch nicht einmal eine Nadelspitze bedecken. Dennoch reicht diese winzige Menge schon aus, um die Struktur der Teilchen genauer zu untersuchen.
Und genau das haben Kollegen des ATRAP-Experimentes unter der Leitung von Gerald Gabrielse von der Harvard University in Cambridge jetzt auch erstmals getan [2]. Auch sie benutzten eine magnetische Flasche - eine so genannte Penning-Falle -, um ultrakalte Anti-Atome herzustellen. Der Clou an dieser speziellen Falle: An ihrem Rand wurde ein starkes elektrisches Feld angelegt. Atome, die dort hineingerieten, waren innerlich förmlich hin und her gerissen: Das Positron strebte zum negativen und das negativ geladene Anti-Proton zum positiven Pol des Feldes. War die Spannung groß genug, zerbarst das Atom und lieferte im Tod wichtige Erkenntnisse über seine innere Struktur und die Umstände seiner Geburt.
Denn wenn sich Positron und Anti-Proton sehr nahe sind, brauchen die Wissenschaftler eine relativ große Spannung, um die beiden Teilchen voneinander zu lösen. Bei sehr weitem Abstand genügt dagegen schon eine viel geringere Spannung.
Tatsächlich konnten die Forscher im Rahmen des ATRAP-Experiment dieses Zerplatzen nachweisen und darauf schließen, auf welchem "Orbit" sich das Positron um den Kern bewegt hat. Sie wiesen dabei erstmals Anti-Atome nach, deren Positronen in einem relativ weiten Abstand um den Kern kreisten.
Und daraus wieder folgern die Forscher, dass diese Anti-Wasserstoff-Atome nicht einfach durch das Zusammensetzen zweier Teilchen - dem Anti-Proton und dem Positron -, sondern vielmehr ursprünglich aus dem Zusammenstoß dreier Teilchen - zwei Positronen und einem Anti-Proton - entstanden sind.
Doch damit nicht genug. Die Wissenschaftler konnten die erzeugten Anti-Wasserstoff-Atome erstmals direkt nachweisen - sie sozusagen zählen. Sie sammelten dazu die Anti-Protonen, die beim Zerplatzen des Atoms im Feld gefangen zurückblieben, und ließen sie schließlich auf die Materie in den Elektroden los, wo sie zerstrahlten und ein unverwechselbares Signal in den umgebenden Teilchendetektoren erzeugten.
Aber verhält sich jetzt die Antimaterie wie Materie, oder tut sie es nicht? Die Antwort: Nichts genaues weiß man nicht. Die durchgeführten Experimente sind noch nicht genau genug, um diese Frage zu klären. Daher planen die Wissenschaftler als nächstes, die Atome mit Hilfe von Lasern zum Leuchten zu bringen. Sollte es Unterschiede in der Struktur der Anti-Atome geben, dann sollten sich diese darin äußern, dass ganz andere Spektrallinien entstehen, als sie von normalem Wasserstoff bekannt sind. Den ATRAP-Wissenschaftlern gelang bisher also "nur" ein flüchtiger Blick in die Welt der Antimaterie - aber ein Blick, der Lust auf mehr macht.
Doch das wollen gleich zwei Arbeitsgruppen der Organisation Européenne pour la Recherche Nucleaire (CERN) – dem Europäischen Zentrum für Teilchenphysik in Genf – experimentell überprüfen: die ATHENA und die ATRAP-Kollaboration. Zu diesem Zweck mussten sie aber zunächst eine wichtige Hürde nehmen: die Herstellung von genügend Antimaterie. Und das erwies sich selbst für das elektrische Spiegelbild des einfach aufgebauten Wasserstoffs - der nur aus einem Proton und einem Elektron besteht - als äußerst schwierig.
Den erhofften Durchbruch schafften schließlich letzten Monat Wissenschaftler der ATHENA-Gruppe. Sie gaben die erfolgreiche Erzeugung von mehr als 50 000 Anti-Wasserstoff-Atomen - bestehend aus einem Positron und einem Anti-Proton - bekannt, die sie bei Temperaturen nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt in einer magnetischen Flasche erzeugen und speichern konnten [1].
50 000, das klingt nach sehr viel. Tatsächlich aber enthält schon ein Liter normaler Wasserstoff bei Zimmertemperatur ungleich mehr - nämlich ungefähr 2,7 x 1022 - Atome. Der Anti-Wasserstoff könnte also noch nicht einmal eine Nadelspitze bedecken. Dennoch reicht diese winzige Menge schon aus, um die Struktur der Teilchen genauer zu untersuchen.
Und genau das haben Kollegen des ATRAP-Experimentes unter der Leitung von Gerald Gabrielse von der Harvard University in Cambridge jetzt auch erstmals getan [2]. Auch sie benutzten eine magnetische Flasche - eine so genannte Penning-Falle -, um ultrakalte Anti-Atome herzustellen. Der Clou an dieser speziellen Falle: An ihrem Rand wurde ein starkes elektrisches Feld angelegt. Atome, die dort hineingerieten, waren innerlich förmlich hin und her gerissen: Das Positron strebte zum negativen und das negativ geladene Anti-Proton zum positiven Pol des Feldes. War die Spannung groß genug, zerbarst das Atom und lieferte im Tod wichtige Erkenntnisse über seine innere Struktur und die Umstände seiner Geburt.
Denn wenn sich Positron und Anti-Proton sehr nahe sind, brauchen die Wissenschaftler eine relativ große Spannung, um die beiden Teilchen voneinander zu lösen. Bei sehr weitem Abstand genügt dagegen schon eine viel geringere Spannung.
Tatsächlich konnten die Forscher im Rahmen des ATRAP-Experiment dieses Zerplatzen nachweisen und darauf schließen, auf welchem "Orbit" sich das Positron um den Kern bewegt hat. Sie wiesen dabei erstmals Anti-Atome nach, deren Positronen in einem relativ weiten Abstand um den Kern kreisten.
Und daraus wieder folgern die Forscher, dass diese Anti-Wasserstoff-Atome nicht einfach durch das Zusammensetzen zweier Teilchen - dem Anti-Proton und dem Positron -, sondern vielmehr ursprünglich aus dem Zusammenstoß dreier Teilchen - zwei Positronen und einem Anti-Proton - entstanden sind.
Doch damit nicht genug. Die Wissenschaftler konnten die erzeugten Anti-Wasserstoff-Atome erstmals direkt nachweisen - sie sozusagen zählen. Sie sammelten dazu die Anti-Protonen, die beim Zerplatzen des Atoms im Feld gefangen zurückblieben, und ließen sie schließlich auf die Materie in den Elektroden los, wo sie zerstrahlten und ein unverwechselbares Signal in den umgebenden Teilchendetektoren erzeugten.
Aber verhält sich jetzt die Antimaterie wie Materie, oder tut sie es nicht? Die Antwort: Nichts genaues weiß man nicht. Die durchgeführten Experimente sind noch nicht genau genug, um diese Frage zu klären. Daher planen die Wissenschaftler als nächstes, die Atome mit Hilfe von Lasern zum Leuchten zu bringen. Sollte es Unterschiede in der Struktur der Anti-Atome geben, dann sollten sich diese darin äußern, dass ganz andere Spektrallinien entstehen, als sie von normalem Wasserstoff bekannt sind. Den ATRAP-Wissenschaftlern gelang bisher also "nur" ein flüchtiger Blick in die Welt der Antimaterie - aber ein Blick, der Lust auf mehr macht.
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