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Physik-Rekord: Forscher fangen Antimaterie minutenlang ein

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Es ist ein einsamer Rekord: Physiker haben Antimaterie-Atome fast 17 Minuten lang eingefangen - rund 6000 Mal länger als zuvor. Sie hoffen, nun eine fundamentale Frage über das Universum beantworten zu können: Warum hat sich normale Materie gegen Antimaterie durchgesetzt?

Erfolg am Cern: Antimaterie in der Falle Fotos
CERN

Galaxien, Sterne, Planeten, Kontinente, Ozeane, Gebäude, Tische und Stühle, Menschen - all das dürfte eigentlich gar nicht existieren. Denn beim Urknall hätten Materie und Antimaterie zu exakt gleichen Teilen entstehen müssen - um sich gleich darauf wieder gegenseitig zu vernichten und zu reiner Energie zu zerstrahlen.

Offensichtlich ist es anders gekommen: Die Materie hat sich durchgesetzt, Antimaterie gibt es heute so gut wie nicht mehr. Zwar kann sie hier und dort noch in kleinsten Mengen entstehen - sogar in der Atmosphäre der Erde -, doch von der Ur-Antimaterie dürfte nichts mehr übrig sein. Der Verdacht, dass ganze Galaxien aus Antimaterie bestehen könnten, hat sich nicht bestätigt: Forscher konnten bisher nirgendwo im All die Strahlung entdecken, die durch Kollisionen mit normaler Materie entstehen müsste. Auch die direkte Suche nach Antimaterie verlief bisher ergebnislos: 1998 flog ein Space Shuttle mit einem Alpha-Magnet-Spektrometer (AMS) ins All. Drei Millionen Heliumatome wurden gefunden, aber kein einziges Antiatom. Im Mai soll nun die Raumfähre "Endeavour" eine zweite AMS-Version zur Internationalen Raumstation bringen.

Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung - ein Relikt aus der Zeit der großen Materie-Antimaterie-Vernichtung - legen indes nahe, dass es bei der Entstehung des Alls ein winziges Ungleichgewicht zugunsten der Materie gab: Auf eine Milliarde Teilchenpaare kam demnach ein zusätzliches Materieteilchen. Der Grund ist Physikern aber bis heute ein Rätsel.

Hoffnung auf eine Antwort birgt jetzt ein Experiment am europäischen Kern- und Teilchenforschungszentrum Cern in Genf. Wissenschaftlern des Alpha-Projekts ist es gelungen, Antiwasserstoff-Atome 1000 Sekunden lang einzufangen - rund 5800 Mal länger als bisher. Die frühere Bestmarke hatte das Team erst im November 2010 aufgestellt, als es 38 Antiwasserstoff-Atome 172 Millisekunden lang speicherte.

Mit ihrem verbesserten Experiment hielten die Forscher jetzt gleich 309 Antiwasserstoff-Atome in einer magnetischen Falle fest. Damit könnten die Eigenschaften von Antimaterie und fundamentale Symmetrieregeln im sogenannten Standardmodell der Teilchenphysik genauer überprüft werden, schreiben die Wissenschaftler in einem Fachbeitrag, der vorab auf Arxiv.org veröffentlicht wurde. "Diese Fortschritte eröffnen ein weites Feld von experimentellen Möglichkeiten", heißt es.

Magnetische Falle auf minus 272 Grad gekühlt

Antiwasserstoff besteht aus einem Antiproton und einem Positron - also dem Antiteilchen zum negativ geladenen Elektron. Er ist ein vielversprechender Kandidat, um die offensichtliche Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie genauer untersuchen zu können. Für ihre Versuche erzeugten die Forscher Millionen von Antiprotonen und Positronen in einem Teilchenbeschleuniger. Nur ein Bruchteil von ihnen verband sich zu den begehrten Antiwasserstoff-Atomen. Mit magnetischen Feldern und abgekühlt auf nur ein halbes Grad über den absoluten Nullpunkt bei minus 273,15 Grad Celsius gelang es, mehr als 300 der Antimaterie-Atome knapp 17 Minuten lang festzuhalten.

Eine solche Langzeit-Gefangenschaft könnte der Schlüssel zum Verständnis der Symetrieverletzung sein. "Man muss dazu sehr präzise messen, ob Antiwasserstoff exakt die gleichen physikalischen und chemischen Eigenschaften wie Wasserstoff besitzt", erklärt Thomas Müller, Leiter des Instituts für experimentelle Kernphysik am Karlsruher Institut für Technologie. Bisher sei die Zeitspanne der Antiteilchen-Gefangenschaft zu kurz für schlüssige Ergebnisse gewesen.

Das könnte sich nun ändern. "Sollte eine Abweichung zwischen Antiwasserstoff und Wasserstoff gefunden werden, wäre das ein Hammer", sagt Müller im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. "Die CPT-Symmetrie wäre gebrochen. Das hätte fundamentale Auswirkungen auf die Physik." Das CPT-Theorem (kurz für charge, parity, time) besagt, dass Materie und Antimaterie sich exakt spiegelbildlich verhalten. Zwar hält Müller es für unwahrscheinlich, dass das 1955 aufgestellte Theorem ins Wanken gerät. "Aber es muss experimentell geprüft werden."

Die Forscher des Alpha-Projekts erhoffen sich derweil auch noch andere Erkenntnisse. Denn auf elektrische und magnetische Felder reagiert Anti-Wasserstoff genau entgegengesetzt im Vergleich zum normalen Wasserstoff. Es ist nicht auszuschließen, dass vergleichbare entgegengesetzte Effekte auch bei der Schwerkraft auftreten. Antimaterie könnte dabei von anderen Materiemassen nicht angezogen, sondern abgestoßen werden - sie würde also quasi nach oben fliegen. Die dabei wirkenden Kräfte wären allerdings extrem klein und nur sehr schwer nachweisbar.

Mit Material von dapd

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1. Jawohl!
makutsov 03.05.2011
Statt am Ende bedeutungsloser Nachrichten über den Tod saudischer Massenmörder in Afghanistan, eine wunderbare Meldung von Bedeutung. Dankeschön! Verrückt was heute möglich ist!
2. Peace and Prosper !
Nimbus-4 03.05.2011
Zitat von sysopEs ist ein einsamer Rekord: Physiker haben Antimaterie-Atome fast 17 Minuten lang eingefangen -*rund 6000 Mal länger als zuvor. Sie hoffen, nun eine fundamentale Frage über das Universum beantworten zu können: Warum hat sich normale Materie gegen Antimaterie durchgesetzt? http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/0,1518,760355,00.html
Wenn das Mischungsverhältnis der Materie-Antimaterieinjektoren in der Dilthiumkristallkammer nicht 50:50 ist, wir die Enterprise auch kein Warpfeld erzeugen können und somit auch nicht in unbekannten Galaxien vordringen, die nie ein Mensch zuvor gesehen hat. Kapplah !
3. Faszinierend
dango 03.05.2011
Zitat von makutsovStatt am Ende bedeutungsloser Nachrichten über den Tod saudischer Massenmörder in Afghanistan, eine wunderbare Meldung von Bedeutung. Dankeschön! Verrückt was heute möglich ist!
In der Tat ! Mir entzieht es sich vor allem immer, wie man Größenordnungen von "38 Antiatomen" und "130 Millisekunden" beherrschen kann. Ich selbst scheitere regelmäßig daran, ein Stück Holz auf 3 oder 4 Millimeter genau abzusägen oder auf 5 Minuten genau zu einem Termin zu erscheinen :-) Um es mit dem User "Nimbus-4" (war es nicht Nimbus 3 ?) zu sagen: "Faszinierend !"
4. Weiter so
movfaltin 03.05.2011
Zitat von sysopEs ist ein einsamer Rekord: Physiker haben Antimaterie-Atome fast 17 Minuten lang eingefangen -*rund 6000 Mal länger als zuvor. Sie hoffen, nun eine fundamentale Frage über das Universum beantworten zu können: Warum hat sich normale Materie gegen Antimaterie durchgesetzt? http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/0,1518,760355,00.html
Endlich einmal eine interessante Info auf Spiegel-Online statt dauernder Kommentare zu Offensichtlichem. Danke! Nur sollte die Wissenschaftsredaktion ein bisschen mehr Hintergrundwissen vermitteln.
5. Genau
Indesin 03.05.2011
Zitat von dangoIn der Tat ! Mir entzieht es sich vor allem immer, wie man Größenordnungen von "38 Antiatomen" und "130 Millisekunden" beherrschen kann. Ich selbst scheitere regelmäßig daran, ein Stück Holz auf 3 oder 4 Millimeter genau abzusägen oder auf 5 Minuten genau zu einem Termin zu erscheinen :-) Um es mit dem User "Nimbus-4" (war es nicht Nimbus 3 ?) zu sagen: "Faszinierend !"
Vielleicht ist das alles eine Frage des richtigen Werkzeugs? Würdest du dein Stück Holz per Massebeschleuniger nahe an die Lichtgeschwindigkeit beschleunigen und irgendwo gegen donnern lassen, könnest du es auch bis aufs Atom genau zerkleinern. Das mit der Pünktlichkeit ist jedoch 'ne andere Sache. Da hilft glaub' ich auch keine Atomuhr. Aber das kennen wir ja: Zeit ist relativ. :p
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Die Grundkräfte der Natur
Fundamentale Wechselwirkungen
Sie sind buchstäblich das, was die Welt im Innersten zusammenhält: die Grundkräfte der Natur. Sie sind die Basis aller physikalischen Vorgänge, ohne sie wäre unser Universum nicht denkbar. Die Wissenschaft kennt vier dieser Kräfte, die auch fundamentale Wechselwirkungen genannt werden. Seit Jahrzehnten fahnden Wissenschaftler auch nach einer fünften - bisher allerdings ergebnislos.
Die Gravitation
Isaac Newton hat im 17. Jahrhundert die Schwerkraft erstmals mathematisch beschrieben. Sie besitzt eine unendliche Reichweite, lässt sich - anders als andere Grundkräfte - nicht abschirmen und wirkt vor allem auf große Distanzen. Planeten, Sterne und ganze Galaxien werden maßgeblich von ihr gesteuert. Dennoch ist sie die schwächste aller Fundamentalkräfte. Ein Mensch etwa - obwohl im Vergleich zur Erde winzig klein - kann die Schwerkraft zumindest kurzzeitig spielend mit seiner Körperkraft überwinden.
Die elektromagnetische Kraft
Sie ist neben der Gravitation die zweite Kraft, der schon früh der Rang eines allgemeinen Naturgesetzes gegeben wurde. Auf ihr basieren die meisten Alltagsphänomene: Wenn eine Glühbirne dank Strom Licht erzeugt, wenn Magneten sich anziehen, wenn Substanzen chemisch miteinander reagieren ist die elektromagnetische Wechselwirkung die Basis des Geschehens. Die Teilchen, durch die sie vermittelt wird, sind die Photonen.
Die starke Kernkraft
Die Kernkräfte wurden erst im 20. Jahrhundert mit der Entdeckung von Atomkernen und Radioaktivität beschrieben. Nach dem Standardmodell der Elementarphysik besteht ein Atomkern aus Neutronen und Protonen, die sich wiederum aus Quarks zusammensetzen. Die starke Kernkraft, auch starke Wechselwirkung genannt, hält diese Quarks zusammen - und damit auch die Atomkerne. Sie wird durch Gluonen vermittelt.
Die schwache Kernkraft
Die schwache Wechselwirkung ist die Grundlage einiger radioaktiver Zerfallsprozesse und spielt auch eine Rolle bei der Kernfusion, die etwa im Innern von Sternen abläuft. Sie besitzt wie auch die starke Kernkraft nur eine kurze Reichweite.

Die schwache Kernkraft sagt auch die Existenz des sogenannten Higgs-Bosons voraus, das der Theorie zufolge allen anderen Elementarteilchen ihre Masse verleiht. Der Partikel, auch "Gottesteilchen" genannt, wurde bisher aber noch nicht direkt beobachtet. Weltweit fahnden Forscher intensiv nach dem Teilchen. Mit Hilfe großer Teilchenbeschleuniger wie dem Large Hadron Collider (LHC) in Genf könnte es schon bald nachgewiesen werden.
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Seit Jahrzehnten fahnden Wissenschaftler nach einer fünften Kraft. Sie soll ähnlich schwach sein wie die Gravitation und auf Objekte aller Art wirken. Doch experimentell ließ sich die fünfte Fundamentalkraft - trotz einiger Versuche insbesondere in den späten achtziger Jahren - nicht schlüssig belegen.

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