Erstes Spektrum eines Antimaterie-Teilchens

Wichtiger Durchbruch: Forschern am CERN ist es erstmals gelungen, das optische Spektrum eines Antimaterie-Teilchens zu erzeugen und zu messen. Dafür wurde Anti-Wasserstoff in einer speziellen Falle gehalten und mit einem Laser angeregt. Die Spektrallinie des Anti-Wasserstoffs gleicht der des normalen Wasserstoffs – und bestätigt damit die Symmetrie von Antimaterie und Materie, wie die Physiker im Fachmagazin „Nature“ berichten.

Beim Urknall muss zu jedem Teilchen ein Antiteilchen entstanden sein, dennoch überwiegt heute im Kosmos die normale Materie. Warum das so ist, gehört zu den größten Rätseln der Physik. Physiker vermuten, dass eine kleine Symmetrieverletzung, ein winziger Unterschied zwischen Materie und Antimaterie dahintersteckt. Bisher jedoch wurden sie nicht fündig – weder im Masse-Ladungs-Verhältnis noch bei der starken Kernkraft oder der Ladung des Anti-Wasserstoffs.

Optischer „Fingerabdruck“

Jetzt ist es Physikern am Forschungszentrum CERN erstmals gelungen, eine weitere Eigenschaft der Antimaterie zu überprüfen: das optische Spektrum. Wird ein Atom durch Zufuhr von Energie angeregt, beispielsweise mit einem Laser, 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 es Energie in Form von Licht ab. Die Wellenlänge dieses Lichts ist für jedes Element und für jeden Anregungszustand spezifisch wie ein Fingerabdruck. So lassen sich beispielsweise glühende Wasserstoffwolken im fernen Universum anhand ihres charakteristischen Spektrums erkennen.

Die Technik für die Erzeugung und Messung des Anti-Wasserstoffs füllt eine ganze Halle. © Maximilien Brice/CERN

Magnetfalle mit Laser

Ob auch Antimaterie-Teilchen die gleichen Spektrallinien erzeugen wie ihre normalen Gegenparts, war jedoch bisher unbekannt. Es war nie gelungen, das Spektrum eines Antimaterie-Atoms zu messen – bis jetzt. Jeffrey Hangst von der Universität Aarhus und seine Kollegen von der ALPHA-Kollaboration nutzten für ihren Versuch die Antimateriefalle des ALPHA-Experiments am CERN.

In dieser Teilchenfalle lassen sich Anti-Wasserstoffatome mit Hilfe von speziellen Magneten mehrere Minuten lang in der Schwebe halten, ohne dass sie mit Materie kollidieren und ausgelöscht werden. Das ermöglichte es, die Anti-Wasserstoffatome mit einem Laser anzuregen und so das Positron des Antiteilchens zum Übergang vom Grundzustand (1S) in den energiereicheren 2S-Zustand zu bringen.

„Ein Wendepunkt“

„Wir haben damit die erste laserspektroskopische Messung an einem Antimaterie-Atom durchgeführt“, sagen Hangst und seine Kollegen. „Diese lange versuchte Errungenschaft markiert einen Wendepunkt.“ Denn nun könne man beginnen, präzise spektrale Vergleiche von Materie und Antimaterie anzustellen.

Die im ALPHA-Experiment registrierte Spektrallinie bestätigt, dass der Anti-Wasserstoff bei der gleichen Energie seinen Zustand wechselt wie der Wasserstoff. „Die Frequenz des Übergangs stimmt mit der des Wasserstoffs in gleicher Umgebung überein“, berichten die Forscher. Damit entspricht auch der spektrale „Fingerabdruck“ dieses Antiteilchens dem seines „normalen“ Gegenparts.

Demnach scheint auch in diesem Punkt die Symmetrie von Materie und Antimaterie ungebrochen – zumindest nach dieser ersten, vorläufigen Messung. Ob sich doch noch subtilere Unterschiede irgendwo im Spektrum verstecken, müssen nun kommende Messungen zeigen. (Nature, 2016; doi: 10.1038/nature21040)

(CERN, 21.12.2016 – NPO)