Antimaterie: Suche nach Symmetriebruch geht weiter

Die Frage, warum es mehr Materie als Antimaterie gibt, bleibt weiter offen. Denn gleich zwei Experimente am Forschungszentrum CERN haben keine Unterschiede im Masse-Ladungs-Verhältnis bei Teilchen und ihren Antiteilchen feststellen können. Sowohl für Protonen und Antiprotonen als auch für leichte zusammengesetzte Atomkerne bestätigten sie die Symmetrie so präzise wie nie zuvor. Ob und wo es doch winzige Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie gibt, bleibt daher weiter offen.

Im Universum herrscht der gängigen Theorie nach eine fundamentale Symmetrie. Nach dieser ist Antimaterie ist quasi Spiegelbild der Materie: Ein Antiteilchen wie das Positron besitzt demnach die gleiche Ladung, den gleichen Spin, die gleiche Masse und sonstige Merkmale wie das Elektron, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen. Treffen Antimateire und Materie aufeinander, löschen sich beide gegenseitig aus – so die säuberlich geordnete Theorie.

Gibt es einen Symmetriebruch?

Doch sie hat einen Haken: Wenn dies stimmt, dann dürfte es uns nicht geben. Denn beim Urknall entstand nach gängiger Annahme genauso viel Antimaterie wie Materie. Doch statt sich sofort wieder gegenseitig auszulöschen, gewann die Materie die Oberhand und bildete die Grundbausteine dessen, was wir um uns herum sehen. Aber warum?

Eine Lösung könnte ein Symmetriebruch sein – winzige Unterschiede in Merkmalen oder Verhalten von Antimaterie gegenüber Materie. Tatsächlich haben Physiker am US-Teilchenbeschleuniger Tevatron im Jahr 2011 erste Indizien für solche subtilen Verhaltensunterschiede entdeckt: Nach Kollisionen von Protonen und Antiprotonen entstanden etwa ein Prozent mehr Myonen als Antimyonen.

Nun haben gleich zwei Experimente am Forschungszentrum CERN neue Daten zu den Eigenschaften von Antimaterie und Materie geliefert. Doch diese bestärken eher die fundamentale Symmetrie dieser Teilchen.

Ein Antiproton in einer Penningfalle © Fabienne Marcastel, Georg Schneider/ BASE-Kollaboration

Proton versus Antiproton

Im BASE-Experiment (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) am CERN haben Forscher das Verhältnis von Masse zu Ladung für Protonen und Antiprotonen überprüft. Dafür erzeugten sie diese Teilchen und fingen sie in einer sogenannten Penningfalle ein. Das Magnetfeld in dieser Falle zwingt die Teilchen auf eine Kreisbahn, die ein Partikel etwa 30 Millionen Mal pro Sekunde durchläuft.

Die Zahl ihrer Umläufe hängt dabei vom Verhältnis ihrer Ladung zu ihrer Masse ab – diesen Wert konnten die Forscher dadurch vierfach genauer ermitteln als zuvor. „Wir haben festgestellt, dass das Verhältnis von Ladung zu Masse bis auf 69 Billionstel Bruchteile identisch ist“, sagt Stefan Ulmer vom CERN. Die Massen von Proton und Antiproton sind damit bis auf elf Nachkommastellen identisch – hier versteckt sich der Symmetriebruch demnach nicht.

Messung des Energieverlusts im ALICE-Detektor für Anti-Atomkerne (links) und Atomkerne © CERN

Keine Unterschiede bei leichten Atomkernen

Das zweite Experiment fand am ALICE-Detektor des Large Hadron Colliders (LHC) statt. Bei der Kollision von Bleikernen entstehen hier große Menge an Teilchen und ihren Antimaterie-Gegenparts. Diese Partikel fliegen durch die Magnetfelder des Detektors, dabei werden Flugbahn und Flugzeit registriert. Aus ihnen lässt sich ebenfalls auf das Verhältnis von Ladung zu Masse schließen.

Die CERN-Physiker ermittelten die Werte für die aus einem Proton und einem Neutron bestehenden Deuteriumkerne und ihre Antiteilchen sowie für Helium-3-Kerne und Antihelium-3-Kerne. Und auch bei diesen zusammengesetzten Teilchen fanden sie keine Anhaltspunkte für einen Symmetriebruch: Materie und Antimaterie-Gegenpart besaßen im Rahmen der Messunsicherheiten jeweils das gleiche Masse-Ladungs-Verhältnis, wie die Forscher berichten.

Diese Ergebnisse engen den Bereich weiter ein, in dem sich die Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie noch verstecken können. Doch die Physiker geben nicht auf: „Sehr vielversprechend, um Differenzen zwischen Materie und Antimaterie aufzuspüren, sind die magnetischen Momente des Protons und Antiprotons“, meint Ulmer. Er und seine Kollegen haben das magnetische Moment des Protons bereits vermessen. Jetzt wollen sie den entsprechenden Wert des Antiprotons ermitteln. (Nature, 2015, doi: 10.1038/nature14861; Nature Physics, 2015, doi: 10.1038/nphys3432)

(CERN, 19.08.2015 – NPO)