Doppelnatur auch in der „Gegenwelt“: Physiker haben erstmals das klassische Doppelspalt-Experiment mit Positronen durchgeführt – dem Antimaterie-Pendant der Elektronen. Wie bei normalen Teilchen zeigte sich dabei ein Interferenzmuster. Dies liefert den ersten experimentellen Nachweis, dass der für die Quantenwelt typische Welle-Teilchen-Dualismus auch für Antiteilchen gilt, wie die Forscher im Fachmagazin „Science Advances“ berichten.
Das Doppelspalt-Experiment ist ein Klassiker der Physik. Dabei lässt man kohärentes Licht auf eine Blende mit zwei Schlitzen fallen. Auf einem Beobachtungsschirm hinter der Blende zeigt sich dann ein Interferenzmuster aus hellen und dunklen Streifen. Mit Hilfe dieses Experiments bewiesen Wissenschaftler den Welle-Teilchen-Dualismus des Lichts, aber auch von Elektronen, Neutronen und sogar Molekülen.
Doch wie sieht es mit dem exotischen Gegenpart unserer normalen Materie aus – der Antimaterie? Besitzt sie den gleichen Welle-Teilchen-Dualismus wie normale Elementarteilchen? Immerhin verhalten sich Antiteilchen wie Positronen, Antiprotonen oder Antiwasserstoff in vieler Hinsicht genauso wie ihre normalen Gegenparts. Selbst das Spektrum des Antiwasserstoffs und sein Positronen-Übergang sind gleich.
Doppelspalt-Test mit Positronen
„Aber ein Analog des Doppelspalt-Experiment ist noch nie zuvor mit einem Antimateriesystem durchgeführt worden“, erklären Simone Sala von der Universität Mailand und seine Kollegen. Das haben sie nun nachgeholt. Für ihr Experiment erzeugten die Forscher Positronen aus dem Zerfall von radioaktivem Natrium-22 und beschleunigten diese in einem speziellen Beschleuniger des L-NESS-Labors in Como.
Diesen Positronenstrahl schossen die Forscher auf ein goldbeschichtetes Gitter aus Siliziumnitrid, das Schlitze im Abstand von rund einem Mikrometer aufwies. Hinter dem Gitter dient eine Silberbromid-Emulsion als Detektor für die auftreffenden Antiteilchen. „Die Emulsion kann den Einschlagspunkt jedes einzelnen Positrons mit Submikrometer-Auflösung detektieren“, so die Forscher.
Klassisches Interferenzmuster hinterm Spalt
Das Ergebnis: Tatsächlich registrierten die Forscher hinter dem Spaltengitter ein typisches Interferenzmuster, das ihren Berechnungen nach von einer echten Welleninterferenz der Antiteilchen herrührt. Der Abstand der interferenz-Peaks lag in dem Bereich, der von der Quantentheorie vorhergesagt wird. „Damit haben wir zum ersten Mal eine Antimaterie-Welleninterferenz beobachtet“, konstatieren Sala und sein Team.
Das Experiment belegt damit, dass sich Antimaterie-Teilchen offenbar auch in diesem Aspekt wie normale Elementarteilchen verhalten – auch sie zeigen einen Welle-Teilchen-Dualismus. „Die Positronen werden als punktartige Teilchen von der radioaktiven Quelle emittiert, interagieren miteinander als Broglie-Wellen und werden dann wieder als einzelnen Punkte vom Emulsionsdetektor registriert“, erklären die Forscher. (Science Advances, 2019; doi: 0.1126/sciadv.aav7610)
Quelle: Science Advances
