Experiment am Cern Antimaterie entpuppt sich als ziemlich normal

Am Genfer Kernforschungszentrum haben Physiker Tausende Atome aus Antiwasserstoff mit Laserlicht traktiert. Es geht um eines der größten Rätsel der Physik: Warum fehlt im Weltall die Antimaterie?

NASA/ Goddard Space Flight Center/ J. Dwyer/ Florida Inst. of Technology

Physiker lieben es übersichtlich. Wenn es darum geht, die Eigenschaften der Atome zu verstehen, schauen sie zunächst auf das einfachste und häufigste Element im gesamten Kosmos: Wasserstoff.

Verglichen mit jedem anderen Element im Periodensystem ist es geradezu lächerlich simpel. Sein Atomkern besteht aus einem einzigen, elektrisch positiv geladenen Proton. In einigem Abstand wird es vom negativen Elektron umschwirrt.

Die Grundzüge dieser Vorstellung sind über hundert Jahre alt und gehen auf den dänischen Nobelpreisträger Niels Bohr (1885 - 1962) zurück. Das Neue an der damaligen Idee war, dass Elektronen nur ganz bestimmte Energiewerte annehmen. Wenn Elektronen zwischen diesen Niveaus springen, wird die Energiedifferenz entweder aufgenommen oder abgestrahlt, beispielsweise als Licht.

Seltener Antiwasserstoff

So weit die graue Schulbuchphysik. Doch selbst das einfachste Atom kann wissenschaftlich geadelt werden, wenn man es aus Antimaterie konstruiert. Und genau dies haben Wissenschaftler am Forschungszentrum Cern getan. Schließlich konnten sie den Antiwasserstoff mit bislang unerreichter Genauigkeit vermessen, wie sie in der aktuellen "Nature"-Ausgabe berichten.

Der in Genf hergestellte Antiwasserstoff dürfte wohl zu den seltensten Substanzen überhaupt gehören. Denn Antimaterie ist im Kosmos praktisch nicht vorhanden.

Im Vergleich zur Materie ist die Antimaterie elektrisch gegensätzlich geladen, sie bildet quasi eine spiegelbildliche Form der Materie. Das Antielektron, meist Positron genannt, ist also positiv, es wurde 1932 in der kosmischen Strahlung entdeckt.

Quelle Teilchenbeschleuniger

Das Antiproton wiederum ist negativ, seine Entdeckung gelang 1955 an einem kalifornischen Teilchenbeschleuniger. Abgesehen von der Ladung sind die Partikel und ihre Spiegel-Zwillinge identisch. Doch was ist mit den Eigenschaften der Atome und der Antiatome? Zeigen auch sie identisches Verhalten? Das wollten die Cern-Forscher herausfinden.

Wie in einem Baukasten fügte das Team der internationalen Alpha-Kollaboration ("Antihydrogen laser physics apparatus") den Antiwasserstoff zusammen: Die Antiprotonen stellt ein Speicherring bereit, dessen Umfang für Cern-Verhältnisse, wo der größte Ring im Umfang über 26 Kilometer misst, mit 188 Metern fast winzig ausfällt.

Die Positronen stammen aus dem Zerfall von radioaktivem Natrium. "Antiprotonen und Positronen sind geladene Partikel und können deshalb leicht bewegt und eingefangen werden", erklärt Jeffrey Hangst von der Universität im dänischen Aarhus. Beide Komponenten wurden dann in Kontakt gebracht. "Wenn man sie kombiniert, erhält man elektrisch neutralen Antiwasserstoff - und der ist viel schwieriger zu einzufangen", so der Alpha-Chef.

Antiatome in der Falle

In einer speziell konstruierten magnetischen Falle nutzten die Forscher den Effekt, dass Antiwasserstoff etwas magnetisch ist. So konnten sie einige wenige der Antiwasserstoffatome einfangen. "Der überwiegende Rest berührte den inneren Rand des Experiments, wo er annihilierte." Damit meint Hangst die Paarvernichtung, bei der Materie und Antimaterie zu zwei Gammaquanten zerstrahlen.

Trotzdem konnten die Forscher im Verlauf von zehn Wochen rund 15.000 Antiatome studieren - genug für präzise spektroskopische Experimente, bei denen der Antiwasserstoff mit ultraviolettem Laserlicht bestrahlt wurde. Das bewirkte, dass die Positronen vom niedrigsten zum nächsthöheren Energieniveau hüpften - genau wie die Elektronen bei normalem Wasserstoff.

Die Energieniveaus von Wasserstoffatomen sind seit Langem mit höchster Präzision vermessen und perfekt im Einklang mit der modernen Atomtheorie. Wie steht es nun um die Niveaus von Antiwasserstoff? Es zeigte sich, dass sie nicht nur die gleichen Werte haben, sondern das Licht, das beim Sprung der Positronen absorbiert wird, das gleiche Frequenzprofil hat wie beim Wasserstoff.

Wo ist die Antimaterie im Kosmos?

Die Genauigkeit der aktuellen Experimente sei hundertmal besser als bei vergleichbaren Messungen nur ein Jahr zuvor, schreiben die Forscher. Hangst: "Wir arbeiten seit 30 Jahren daran, diese Präzision zu erreichen."

Offenbar macht es keinen Unterschied, ob man Elektronen im Wasserstoff oder Positronen im Antiwasserstoff zu Sprüngen animiert. Oder der Unterschied ist immer noch zu klein für die Messgenauigkeit. Hangst ist optimistisch die Präzision der Alpha-Messungen weiter zu verbessern.

Falls die Forscher doch noch Unterschiede zwischen Wasserstoff und seinem Antipendant aufspüren, würden sie das Standardmodell der Teilchenphysik erschüttern - das sogenannte CPT-Theorem wäre dann verletzt. Dieses besagt nämlich unter anderem, dass alle Vorgänge mit normaler Materie in gleicher Weise mit Antimaterie möglich sind.

Tatsächlich hoffen viele Kosmologen auf den Nachweis einer solchen CPT-Verletzung. Womöglich wäre das dann auch eine Erklärung dafür, warum nach dem Urknall so viel Materie zurückblieb - jedoch kaum Antimaterie.

Korrektur: In einer früheren Version des Textes hieß es, das Proton sei ein Elementarteilchen. Das stimmt jedoch nicht, es besteht vielmehr aus drei Quarks, die als Elementarteilchen gelten.



insgesamt 30 Beiträge
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Seite 1
Emmi 06.04.2018
1. Also, wenn...
"Es zeigte sich, dass sie nicht nur die gleichen Werte haben, sondern das Licht, das beim Sprung der Positronen absorbiert wird, das gleiche Frequenzprofil hat wie beim Wasserstoff." ...dann kann man ja z. B. anhand des Lichts bzw. der Spektrallinien ferner Emittenten bzw. Absorbenten überhaupt nicht sagen, ob es sich um solche aus Materie oder Antimaterie handelt. Demzufolge könnten ferne Galaxien/Gasnebel komplett aus Antimaterie bestehen, ohne dass wir das Gegenteil beweisen können...?
mimas101 06.04.2018
2.
Zitat von Emmi"Es zeigte sich, dass sie nicht nur die gleichen Werte haben, sondern das Licht, das beim Sprung der Positronen absorbiert wird, das gleiche Frequenzprofil hat wie beim Wasserstoff." ...dann kann man ja z. B. anhand des Lichts bzw. der Spektrallinien ferner Emittenten bzw. Absorbenten überhaupt nicht sagen, ob es sich um solche aus Materie oder Antimaterie handelt. Demzufolge könnten ferne Galaxien/Gasnebel komplett aus Antimaterie bestehen, ohne dass wir das Gegenteil beweisen können...?
Das schrieb schon vor einigen Dekaden v.d. Osten-Sacken in einem seiner Bücher als er Antimaterie abhandelte. Der einzige Unterschied ist tatsächlich nur die vertauschte Ladung im Atom aber ansonsten ändert sich nix. Spannend wird's nur dann wenn Antis und Nicht-Antis miteinander reagieren. Dann machts Rumms, beide Partner löschen sich gegenseitig komplett aus und Energie wird abgestrahlt, als ziemlich energiereicher Gamma-Blitz sozusagen.
tpunkterror 06.04.2018
3. Ereignishorizont
@1: In dem Fall gäbe es einen Ereignishorizont, an dem Materie auf Antimaterie treffen würde. Unter der Annahme natürlich, dass unser Universum stetig ist. Auch schon bei all den Phänomenen, die Materie (oder dann eben Antimaterie) in das Weltall ausstoßen würde es häufig genug vorkommen, dass Teilchen auf Antiteilchen trifft und wir das beobachten könnten.
Websingularität 06.04.2018
4.
Ein VW-Diesel der Kohlenwasserstoff aus Antimaterie verbrennt, ist leistungsfähiger und emittiert deutlich weniger Stickoxid. Also, gibt's wohl doch einen Unterschied ^^ Aber im Ernst, das Grundproblem ist wohl, dass Antimaterie immer paarweise mit Materie erzeugt wird. Wenn man Antimaterie Teilchen einzeln herstellen könnte, dann könnte man eine Kettenreaktion ausdenken die beliebig viel Antimaterie erzeugt. Denn bei der Zerstrahlung mit normaler Materie, würde doppelt so viel Energie frei, wie für die Erzeugung eines einzelnen Teilchens benötigt wird.
aliof 06.04.2018
5. Schlüssel und Symmetriebruch
Sucht ein Betrunkener tiefnachts etwas am Boden im Licht einer Straßenlaterne. Fragt ein Passant, was suchen Sie denn? – Meinen Schlüssel! – Haben Sie den denn hier verloren? – Nein, da hinten, aber da ist es so dunkel, da sehe ich nichts … Wie kann ein ernsthafter Physiker überhaupt auf die Idee kommen, daß ein Antimaterieatom quasi aus einer anderen Universum kommen könnte ?? - Der gesuchte Symmetriebruch ist sicher nicht da zu finden, und ist und war da auch nicht zu erwarten. Die Überschrift des Artikels hätte daher besser heißen sollen: Cern-Experiment bestätigt, daß Antimaterie normal ist (gemessen in 10 Wochen an 15.000 H-Atomen). – Das im Artikel zusätzlich verwendete „ziemlich“ macht übrigens hinten und vorn keinen Sinn. Wie wäre es denn, erst mal eine Theorie zur interessierenden Antwort aufzustellen, und dann ein Experiment, quasi als Frage an das Universum, ob die Theorie einigermaßen paßt, und wie ggf. noch zu verbessern ???
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