Ein internationales Physikerteam hat das bisher schwerste bekannte Antimaterie-Teilchen erzeugt und nachgewiesen. Insgesamt 18 Signaturen des Antihelium-4 und damit eines Antimaterie-Äquivalents des Heliumkerns, registrierten die Detektoren des Teilchenbeschleunigers RHIC am Brookhaven National Laboratory in den USA. Wie die Forscher in „Nature“ berichten, entspricht das Antiteilchen in Eigenschaften und Signaturen ziemlich genau den theoretischen Vorhersagen.
Antimaterie ist der Gegenpart aller Materie. So existiert zu jedem Teilchen normaler Materie nach dem Standardmodell der Physik ein entsprechendes Antiteilchen, wie eine Art Spiegelbild. Stoßen beide zusammen, löschen sie sich gegenseitig aus und geben dabei Energie frei. Theoretisch hätten beim Urknall beide Materieformen in genau gleicher Menge entstanden sein müssen, doch die heutige Existenz der Materie belegt, dass es eine bisher unerklärliche „Vorliebe“ der Natur für die Materie gegeben haben muss, einen Symmetriebruch.
Quark-Gluon-Plasma im Teilchenbeschleuniger
In starken Teilchenbeschleunigern versuchen Forscher diesem Rätsel auf den Grund zu kommen, indem sie die extremen Bedingungen beim Urknall so gut wie möglich nachstellen. Im Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) des Brookhaven National Laboratory (BNL) in den USA beschleunigen Wissenschaftler Goldionen auf nahe Lichtgeschwindigkeit und lassen sie frontal aufeinander prallen. Bei diesen extrem energiereichen Kollisionen entstehen sowohl Quarks, die Bausteine von Neutronen und Protonen, als auch ihre Gegenparts, die Antiquarks. Wenn sich das gebildete Quark-Gluon-Plasma abkühlt, lagern sie sich unter anderem zu Neutronen, Protonen und deren Antimaterie-Äquivalenten zusammen.
18 Signaturen von Antihelium-4-Kernen entdeckt
In dieser sich schnell ausdehnenden Teilchenwolke haben die Forscher der internationalen STAR-Kollaboration nun erstmals die Signatur des bisher schwersten jemals nachgewiesenen stabilen Antimaterieteilchens entdeckt: aus je zwei Antiprotonen und Antineutronen bestehende Kerne von Antihelium-4. Bei der Durchsicht von Daten einer Milliarde Kollisionen und einer halben Billion Signaturen von geladenen Teilchen im STAR-Detektor stießen sie auf Belege von insgesamt 18 Antihelium-4 –Kernen.
„Das sind massive Klumpen von Antimaterie“, erklärt Frank Geurts von der Rice Universität. „Die Tatsache, dass zwei Antineutronen und zwei Antiprotonen sich finden, ein Anti-Alpha erzeugen, zwei bis drei Meter durch die Luft fliegen und uns ein messbares Signal geben, wenn sie durch den Detektor fliegen, ist erstaunlich.“ Das bisher schwerste nachgewiesene Antimaterieteilchen war ein Antiwasserstoffkern, bestehend aus drei Antiquarks, darunter einem Anti-Strange-Quark. Auch dieses Teilchen wurde von den Brookhaven-Physikern im RHIC-Collider erzeugt.
Beginn eines Antimaterie-Periodensystems?
Die neu entdeckten Antiteilchen besitzen eine negative Ladung von etwa dem Doppelten eines Elektrons und eine Masse ähnlich dem von vier Protonen. Die Signaturen und Eigenschaften der Antihelium-4-Kerne entsprechen damit ziemlich genau den zuvor über Modelle ermittelten theoretischen Voraussagen.
„Die Implikationen seiner Entdeckung und die Menge der gefundenen Teilchen passt zu dem, was wir erwartet haben“, so Geurts. „Wir können damit jetzt eine Erweiterung des Periodensystems der Elemente in die Bereiche der Antimaterie und exotischen Materie erkennen.“ Das nächstgrößere Antiteilchen wäre theoretisch der Anti-Lithium-6-Kern. Nach Berechnungen der Brookhaven-Forscher ist dieses jedoch eine Million Mal seltener als Antihelium-4 und seine Erzeugung und Entdeckung außerhalb der Möglichkeiten der heutigen Beschleunigertechnologie.
Möglicherweise aber könnten weitere Antimaterieteilchen nicht auf der Erde, sondern im Kosmos entdeckt werden, beispielsweise in entfernten Galaxien, in denen noch Relikte von Antimaterie aus der Zeit des Urknalls überdauert haben. Nachweisen könnte sie das Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), das Ende April 2011 zur Internationalen Raumstation ISS transportiert wird und kosmische Strahlung auf Spuren von Dunkler Materie und Antimaterie duchmustern soll. (Nature, 2011; DOI: 10.1038/nature10079)
(Brookhaven National Laboratory, 27.04.2011 – NPO)
