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  • 20.12.2016
  • von Rainer Kayser

Ein Test für die Symmetrie: Erste spektroskopische Messung von Antimaterie

von Rainer Kayser

Das Alpha-Experiment am Cern. Foto: Cern

Die Physiker fahndeten nach Unterschieden zwischen Wasserstoff und Antiwasserstoff - und bestätigten doch das Standardmodell.

Einem internationalen Forscherteam am Teilchenforschungszentrum Cern bei Genf ist es erstmals gelungen, Antiwasserstoff spektroskopisch zu untersuchen. Die Messungen zeigen, dass sich der Strahlungsübergang bei Antiwasserstoffatomen nicht von dem entsprechenden Übergang bei normalen Wasserstoffatomen unterscheidet. Das Experiment bestätige mit einer Genauigkeit von 1 : 5 Milliarden die Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie, berichten die Physiker im Fachblatt „Nature“.

„Das Standardmodell der Teilchenphysik sagt voraus, dass beim Urknall Materie und Antimaterie in gleichen Mengen entstanden sein sollten“, schreibt das Team um Jeffrey Hangst von der Universität Aarhus. „Doch unser heutiges Universum besteht nahezu ausschließlich aus Materie.“ Die vorhergesagte Symmetrie von Materie und Antimaterie scheint also nicht perfekt zu sein – deshalb suchen die Physiker nach Unterschieden zwischen Wasserstoff und Antiwasserstoff.

Ein Eckpfeiler des Standardmodells ist die „CPT-Invarianz“: Kehrt man in einem System von Teilchen die Ladung (charge, C), die Parität (parity, P) genannte räumliche Orientierung und die Zeitrichtung (time, T) um, so laufen alle Vorgänge in dem System bis auf diese Spiegelung völlig identisch ab. Deshalb sollten sich nach dem Standardmodell Wasserstoffatome und Antiwasserstoffatome in ihren physikalischen Eigenschaften nicht voneinander unterscheiden.

Das Experiment war nur der Anfang

Um diese Vorhersage zu überprüfen – oder Abweichungen davon aufzuspüren –, benötigen die Forscher zunächst genügend Antiwasserstoffatome. Während normaler Wasserstoff aus einem Proton besteht, das von einem Elektron umkreist wird, kreist beim Antiwasserstoff ein Positron um ein Antiproton. Im Jahr 2002 gelang es am Cern erstmals, aus Antiprotonen und Positronen Antiwasserstoff herzustellen. Und erst seit wenigen Jahren ist es am Alpha-Experiment des Cern möglich, diese Antiwasserstoffatome in ausreichender Zahl abzubremsen und einzufangen, sodass Forscher sie untersuchen können.

Hangst und seine Kollegen haben im Mittel 14 Antiwasserstoffatome mithilfe magnetischer Felder in einer 28 Zentimeter langen und 4,4 Zentimeter durchmessenden Vakuumkammer eingesperrt. Mithilfe von Laserstrahlen regten sie die Atome zu einem Übergang aus dem Grundzustand in einen mit einer Lebensdauer von einer achtel Sekunde metastabilen Zustand an. Dieser Übergang eignet sich aufgrund der Lebensdauer und der damit verbunden schmalen Linienbreite besonders gut für solche Untersuchungen. Die so bestimmte Strahlungsfrequenz des Übergangs stimmt mit jener überein, die man bei normalen Wasserstoffatomen misst.

Damit haben die Forscher erneut das Standardmodell bestätigt – obwohl sie nach einer Abweichung suchen, um den Überschuss an Materie im Kosmos zu erklären. Aber für Hangst und seine Kollegen ist das Experiment nur ein Anfang. Mit noch mehr Antiwasserstoffatomen wollen die Physiker künftig auch die Linienform des Übergangs untersuchen.

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