Forscher vermessen Anti-Wasserstoffatome

Erstmals ist es Forschern gelungen, Antimaterie-Atome gezielt zu manipulieren. Mit Hilfe von Mikrowellen brachten sie Anti-Wasserstoffatome dazu, ihre magnetische Orientierung zu ändern und aus einer Atomfalle zu springen. Diese Wechselwirkung mit Antimaterie gilt als entscheidender Meilenstein, denn sie eröffnet erstmals Möglichkeiten, die Eigenschaften dieser bisher rätselhaften Materieform genauer zu vermessen. Dieses Experiment zeige, dass solche Vermessungen prinzipiell möglich sind, berichten die Physiker des Teilchenforschungszentrums CERN bei Genf im Fachmagazin „Nature“.

„Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum und wir kennen seine Struktur sehr gut“, sagt Jeffrey Hangst von der Universität von Aarhus. Er ist Sprecher der ALPHA-Kollaboration am CERN, der Forschergruppe, die die Experimente ausführte. Jetzt könne man endlich damit beginnen, auch die Eigenschaften des Anti-Wasserstoffs zu erkunden – und damit den Unterschied zwischen Materie und Antimaterie.

Rätsel der Materie bisher ungelöst

Warum es im Universum heute mehr Materie als Antimaterie gibt, gilt als eines der ungelösten Rätsel der Physik. Denn beim Urknall müsste von beiden gleich viel entstanden sein – für jedes Teilchen ein spiegelbildliches Antiteilchen. Beide löschen sich gegenseitig aus, wenn sie miteinander in Kontakt kommen. Physiker vermuten, dass es zwischen Materie und Antimaterie winzige, aber entscheidende Unterschiede geben muss, die zu einer leichten Asymmetrie und damit dem Erhalt der Materie geführt haben.

Bisher konnten die Eigenschaften der Antimaterie jedoch nicht erforscht werden. Erst vor kurzem war es erstmals gelungen, Anti-Wasserstoffatome für kurze Zeit in einer speziellen Magnetfalle zu halten. Um ihre Merkmale zu messen, muss man aber auf irgendeine Weise mit ihnen in Wechselwirkung treten können. Genau dies sei nun erstmals mit Hilfe der Mikrowellen gelungen, sagen die Forscher.

Diese Leuchtspuren werden von Anti-Wasserstoffatomen verursacht, die aus der Antimateriefalle entweichen und sich im ALPHA-Detektor bei Kontakt mit Materie auslöschen. © CERN

Antiatome in der Magnetfalle

In ihrem Experiment hatten die Physiker am ALPHA-Detektor des CERN zunächst Anti-Wasserstoffatome erzeugt und in einer speziellen Falle aus kompliziert angeordneten Magnetfeldern eingefangen. Von 6.000 erzeugten Antiatomen bleibt dabei nur eines in der Falle hängen. Diese Antiatome bestrahlten die Forscher mit Mikrowellen verschiedener Frequenz.

In bestimmten Frequenzbereichen brachten die Mikrowellen die Anti-Wasserstoffatome dazu, ihre magnetische Orientierung zu ändern. Erkennen konnten die Physiker dies daran, dass diese Antiatome aus der Magnetfalle entwichen, mit der umgebenden Materie kollidierten und sich dabei auslöschten. Diese Auslöschung erzeugte ein charakteristisches Muster in den Sensoren des ALHPA-Detektors. Die Frequenzen, bei denen dies geschah, würden bereits erste Rückschlüsse auf die Eigenschaften des Anti-Wasserstoffs geben, meinen die Physiker.

Dieser Silizium-Detektor im ALPHA-Experiment fängt die Leuchtspuren der sich auslöschenden Antimaterie-Atome ein und bildet sie ab. © CERN / University of Liverpool

Forscher wollen Präzision der Mikrowellenmessungen verbessern

„Wir haben demonstriert, dass wir die interne Struktur des Anti-Wasserstoffs erkunden können und sind darüber sehr begeistert“, sagt Hangst. Jetzt wisse man, dass es möglich sei, Experimente zu entwickeln, mit denen man detailliertere Messungen des Anti-Wasserstoffatoms durchführen könne. Die Forscher wollen als nächstes die Präzision der Mikrowellenmessungen weiter verbessern und planen bereits zusätzliche Messungen mit Lasern. (Nature, 2012; doi:10.1038/nature10942)

Animation eines Anti-Wasserstoffatoms in der Magnetfalle und der anschließenden Auslöschung durch Kontakt mit Materie.

(Nature / dapd, 08.03.2012 – NPO)