Antimaterie: Wo steckt der Unterschied?

Antimaterie bleibt rätselhaft: Physikern am CERN ist es gelungen, das Spektrum des Antiwasserstoff-Atoms so genau wie nie zuvor zu messen – bis auf wenige Billionstel genau. Doch auch in diesem Merkmal scheint sich Antimaterie nicht von Materie zu unterscheiden. Das Spektrum des Antiwasserstoffs entspricht exakt dem des Wasserstoffs, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature“ berichten. Die Fahndung nach einer Symmetrieverletzung von Antimaterie und Materie geht damit weiter.

Es ist wie verhext: Unser Universum wäre nicht so, wie es ist, wenn es keine Unterschiede zwischen Antimaterie und Materie gegeben hätte. Doch egal wo Forscher nach solchen subtilen Differenzen fahnden – sie finden einfach keine Hinweise auf eine Symmetrieverletzung. Sowohl das Magnetverhalten, als auch das Masse-Ladungs-Verhältnis und die starke Kernkraft beider Teilchenformen scheinen exakt übereinzustimmen.

Antiwasserstoff in der Magnetfalle

Vor einigen Jahren gelang es Physikern erstmals, Antiwasserstoff zu erzeugen und in speziellen Magnetfallen für kurze Zeit zu speichern. Das hat es ermöglicht, auch die Eigenschaften dieses einfachsten aller Antiatome näher zu untersuchen. Jeffrey Hangst und seinen Kollegen von der ALPHA-Kollaboration am CERN haben bereits die Ladun des Antiwasserstoffs untersucht und erstmals auch das optische Spektrum dieses Antiatoms beobachtet.

Wird ein Atom durch Zufuhr von Energie angeregt, dann springt eines oder mehrere seiner Elektronen auf eine energiereichere Bahn um den Atomkern. Fällt das Elektron dann wieder in seinen alten Zustand zurück, gibt das Atom Energie in Form von Licht ab. Die Wellenlänge dieses Lichts – das optische Spektrum – ist für jedes Element und für jeden Anregungszustand spezifisch wie ein Fingerabdruck.

Blick in die Anlage des ALPHA-Experiments am CERN © CERN

Von 50.000 bleiben 20 übrig

Jetzt ist es Hangst und seinen Kollegen gelungen, des Spektrum des Antiwasserstoffs so genau wie nie zuvor zu messen. Für ihr Experiment kombinierten sie Antiprotonen aus einem Teilchenbeschleuniger mit Positronen, die beim radioaktiven Zerfall von Natrium-22-Isotopen freiwerden. „In einem typischen Versuch mischen wir 90.000 Antiprotonen mit drei Millionen Positronen um 50.000 Antiwasserstoff-Atome zu produzieren“, erklären die Forscher. „Nur rund 20 davon bleiben in der Falle.“

Durch Laserstrahlen führten die Forscher den in der Magnetfalle gespeicherten Antiwasser-Atome dann so viel Energie zu, dass ihr Positron vom untersten auf das nächsthöhere Energieniveau sprang. Dieser sogenannte 1S-2S-Übergang ist ein charakteristisches Merkmal des normalen Wasserstoffs und eines der am besten untersuchten. Durch eine spezielle Kombination von Laserpulsen gelang es den Physikern nun, diesen Übergang beim Antiwasserstoff erstmals bis auf wenige Billionstel genau zu bestimmen.

Auch hier kein Unterschied

Das Ergebnis: Selbst bei dieser nie zuvor erreichten Präzision der Messung gleichen sich das Spektrum von Wasserstoff und Antiwasserstoff wie ein Ei dem anderen. Auch die Form der Absorptionslinie ist bei beiden Atomvarianten identisch, wie die Forscher berichten. Noch sind ihre Messergebnisse zwar um drei Stellen weniger genau als beim Wasserstoff, dennoch scheint dies nahezulegen, dass sich die postulierte Symmetrieverletzung von Materie und Antimaterie wohl nicht in diesem Merkmal versteckt.

Bei ihrer Suche nach einer Verletzung der sogenannten CP-Invarianz haben die Physiker damit erneut ins Leere gegriffen. Hoffnung macht bisher nur eine statistische Auffälligkeit bei bestimmten Teilchenkollisionen im Large Hadron Collider (LHC) am CERN. Doch die beobachte Asymmetrie liegt bisher unterhalb der für eine Entdeckung benötigten fünf Sigma. Die Fahndung geht daher weiter. (Nature, 2018; doi: 10.1038/s41586-018-0017-2)

(CERN, 09.04.2018 – NPO)