Antimaterie-Atome zum ersten Mal erfolgreich gespeichert

Wissenschaftlicher Kontakt: Joel Fajans, 510-984-3601

Atome aus Antimaterie wurden zum ersten Mal von der ALPHA Kollaboration, einem internationalen Team von Wissenschaftlern, die am CERN, der Europäischen Organisation für Kernforschung in der Nähe von Genf, Schweiz, arbeiten, eingefangen und gespeichert. Wissenschaftler des Lawrence Berkeley National Laboratory des US-Energieministeriums und der University of California in Berkeley haben wichtige Beiträge zu den laufenden internationalen Bemühungen geleistet.

ALPHA speicherte Atome von Antiwasserstoff, bestehend aus einem einzelnen negativ geladenen Antiproton, das von einem einzelnen positiv geladenen Anti-Elektron (Positron) umkreist wird. Obwohl die Anzahl der eingefangenen Anti-Atome viel zu gering ist, um den Materie-Antimaterie-Reaktor des Raumschiffs Enterprise zu betreiben, rückt mit diesem Fortschritt der Tag näher, an dem Wissenschaftler in der Lage sein werden, Präzisionstests der fundamentalen Symmetrien der Natur durchzuführen. Messungen von Anti-Atomen könnten zeigen, wie sich die Physik der Antimaterie von der der gewöhnlichen Materie unterscheidet, die die Welt, wie wir sie heute kennen, beherrscht.

Große Mengen von Antiwasserstoff-Atomen wurden am CERN erstmals vor acht Jahren von zwei anderen Teams hergestellt. Obwohl sie Antimaterie herstellten, konnten sie diese nicht speichern, da die Anti-Atome innerhalb von Millionstel Sekunden nach ihrer Entstehung die Wände der Experimente aus gewöhnlicher Materie berührten und sofort annihiliert wurden – also durch Umwandlung in Energie und andere Teilchen vollständig zerstört.

„Das Einfangen von Anti-Wasserstoff erwies sich als viel schwieriger als die Erzeugung von Anti-Wasserstoff“, sagt Joel Fajans, Mitglied des ALPHA-Teams, Wissenschaftler in der Berkeley Lab’s Accelerator and Fusion Research Division (AFRD) und Professor für Physik an der UC Berkeley. „ALPHA erzeugt routinemäßig Tausende von Antiwasserstoffatomen in einer einzigen Sekunde, aber die meisten sind zu ‚heiß'“ – zu energetisch – „um in der Falle gehalten zu werden. Wir müssen Glück haben, um eines zu fangen.“

Die ALPHA-Kollaboration war erfolgreich, indem sie eine speziell entworfene magnetische Flasche, eine sogenannte Minimum Magnetic Field Trap, verwendete. Hauptbestandteil ist ein Oktupol-Magnet (achtmagnetischer Pol), dessen Felder die Anti-Atome von den Wänden der Falle fernhalten und so verhindern, dass sie sich gegenseitig vernichten. Fajans und seine Kollegen in der AFRD und an der UC haben den Oktupolmagneten vorgeschlagen, entworfen und getestet, der in Brookhaven hergestellt wurde. ALPHA-Teammitglied Jonathan Wurtele von AFRD, ebenfalls Professor für Physik an der UC Berkeley, leitete ein Team von Berkeley Lab-Mitarbeitern und Gastwissenschaftlern, die Computersimulationen verwendeten, um die Vorteile der Oktupolfalle zu verifizieren.

In einer demnächst erscheinenden Ausgabe von Nature, die jetzt online ist, berichtet das ALPHA-Team über die Ergebnisse von 335 experimentellen Versuchen, die jeweils eine Sekunde dauerten, während derer die Anti-Atome erzeugt und gespeichert wurden. Die Versuche wurden in Intervallen wiederholt, die nie kürzer als 15 Minuten waren. Um Anti-Wasserstoff zu bilden, wurden während dieser Versuche Antiprotonen mit Positronen innerhalb der Falle gemischt. Sobald der Magnet der Falle „gelöscht“ wurde, wurden alle gefangenen Anti-Atome freigesetzt und ihre anschließende Annihilation von Siliziumdetektoren aufgezeichnet. Auf diese Weise zeichneten die Forscher 38 Anti-Wasserstoff-Atome auf, die für fast zwei Zehntelsekunden in der Falle gehalten wurden.

„Der Beweis, dass wir Antiwasserstoff eingefangen haben, beruht darauf, dass unser Signal nicht auf einen Hintergrund zurückzuführen ist“, sagt Fajans. Obwohl es wahrscheinlich ist, dass während der 335 Versuche viel mehr als 38 Antiwasserstoffatome eingefangen wurden, haben die Forscher sorgfältig darauf geachtet, zu bestätigen, dass es sich bei jedem Kandidatenereignis tatsächlich um eine Anti-Atom-Annihilation handelte und nicht um den Durchgang eines kosmischen Strahls oder, was noch schwieriger auszuschließen ist, um die Annihilation eines bloßen Antiprotons.

Um zwischen echten Ereignissen und Hintergrund zu unterscheiden, verwendete das ALPHA-Team Computersimulationen, die auf theoretischen Berechnungen basierten, um zu zeigen, wie Hintergrundereignisse im Detektor verteilt sein würden und wie echte Antiwasserstoff-Annihilationen aussehen würden. Fajans und Francis Robicheaux von der Auburn University trugen Simulationen dazu bei, wie Antiprotonen, die in einer Spiegelfalle gefangen sind (die von Magnetspulen um die Enden des Oktupolmagneten eingeschlossen sind), Anti-Atom-Annihilationen nachahmen könnten und wie sich tatsächlicher Antiwasserstoff in der Falle verhalten würde.

Von der Antimaterie lernen

Vor 1928, als Antielektronen auf theoretischer Basis von Paul Dirac vorhergesagt wurden, wurde die Existenz von Antimaterie nicht vermutet. 1932 wurden Antielektronen (Positronen) in Trümmern der kosmischen Strahlung von Carl Anderson gefunden. Die ersten Antiprotonen wurden 1955 im Bevatron des Berkeley Labs, dem energiereichsten Teilchenbeschleuniger seiner Zeit, gezielt erzeugt.

Zunächst sahen die Physiker keinen Grund, warum sich Antimaterie und Materie nicht symmetrisch verhalten sollten, also den physikalischen Gesetzen in gleicher Weise gehorchen. Aber wenn dies der Fall wäre, wären beim Urknall gleiche Mengen von beiden entstanden – in diesem Fall hätten sie sich gegenseitig vernichten und nichts zurücklassen müssen. Und wenn dieses Schicksal irgendwie vermieden wurde, müssten heute gleiche Mengen an Materie und Antimaterie übrig bleiben, was eindeutig nicht der Fall ist.

In den 1960er Jahren entdeckten Physiker subatomare Teilchen, die auf eine Art und Weise zerfielen, die nur möglich war, wenn die als Ladungskonjugation und Parität (CP) bekannte Symmetrie dabei verletzt worden war. Dadurch, so erkannten die Forscher, muss sich Antimaterie etwas anders verhalten als gewöhnliche Materie. Doch auch wenn einige Antiteilchen CP verletzen, sollten Antiteilchen, die sich in der Zeit rückwärts bewegen, denselben physikalischen Gesetzen gehorchen wie gewöhnliche Teilchen, die sich in der Zeit vorwärts bewegen. Die CPT-Symmetrie (T steht für Zeit) sollte nicht verletzt werden.

Eine Möglichkeit, diese Annahme zu testen, wäre der Vergleich der Energieniveaus von gewöhnlichen Elektronen, die ein gewöhnliches Proton umkreisen, mit den Energieniveaus von Positronen, die ein Antiproton umkreisen, also der Vergleich der Spektren von gewöhnlichen Wasserstoff- und Antiwasserstoffatomen. Die Überprüfung der CPT-Symmetrie mit Antiwasserstoffatomen ist ein Hauptziel des ALPHA-Experiments.

Wie man Antiwasserstoff herstellt und speichert

Um Antiwasserstoff herzustellen, leiten die Beschleuniger, die Protonen in den Large Hadron Collider (LHC) am CERN einspeisen, einige von ihnen ab, um Antiprotonen zu erzeugen, indem sie auf ein Metalltarget geschleudert werden; die daraus resultierenden Antiprotonen werden in CERNs Antimatter Decelerator Ring gespeichert, der Bündel von Antiprotonen an ALPHA und ein anderes Antimaterie-Experiment liefert.

Wurtele sagt: „Es ist schwer, p-Balken zu fangen“ – das Symbol für Antiproton ist ein kleiner Buchstabe p mit einem Balken darüber – „weil man sie den ganzen Weg von hundert Millionen Elektronenvolt auf fünfzig Millionstel Elektronenvolt herunterkühlen muss.“

Im ALPHA-Experiment werden die Antiprotonen durch eine Reihe von physikalischen Barrieren, magnetischen und elektrischen Feldern und Wolken von kalten Elektronen geleitet, um sie weiter abzukühlen. Schließlich werden die niederenergetischen Antiprotonen in die Fallenregion von ALPHA eingeführt.

Währenddessen werden niederenergetische Positronen, die aus Zerfällen in einer radioaktiven Natriumquelle stammen, vom anderen Ende in die Falle gebracht. Da es sich um geladene Teilchen handelt, können sowohl Positronen als auch Antiprotonen durch eine Kombination aus elektrischen und magnetischen Feldern in getrennten Bereichen der Falle gehalten werden – eine Wolke von Positronen in einem „up well“ in der Mitte und die Antiprotonen in einem „down well“ zu den Enden der Falle hin.

Um sich mit den Positronen in der zentralen Vertiefung zu vereinigen, müssen die Antiprotonen vorsichtig durch ein oszillierendes elektrisches Feld angestoßen werden, das ihre Geschwindigkeit auf kontrollierte Weise durch ein Phänomen namens Autoresonanz erhöht.

„Es ist, als würde man ein Kind auf einer Spielplatzschaukel anschieben“, sagt Fajans, der seinem ehemaligen Doktoranden Erik Gilson und Lazar Friedland, einem Professor an der Hebräischen Universität und Besucher in Berkeley, die frühe Entwicklung der Technik verdankt. „Wie hoch die Schaukel geht, hat nicht so viel damit zu tun, wie stark man schiebt oder wie schwer das Kind ist oder wie lang die Ketten sind, sondern mit dem Timing der Stöße.“

Die neuartige Autoresonanztechnik erwies sich als essentiell, um Antiprotonen präzise Energie zuzuführen, damit sie relativ energiearme Anti-Atome bilden. Die neu gebildeten Anti-Atome sind zwar ladungsneutral, haben aber aufgrund ihres Spins und der Verteilung der entgegengesetzten Ladungen ihrer Bestandteile ein magnetisches Moment; sofern ihre Energie gering genug ist, können sie im Oktupol-Magnetfeld und in den Spiegelfeldern der Minimum-Magnetfeldfalle eingefangen werden.

Von den Tausenden von Antiwasserstoffatomen, die in jeder einsekündigen Mischsitzung entstehen, sind die meisten zu energiereich, um festgehalten zu werden, und vernichten sich selbst an den Fallenwänden.

Freilassen der ALPHA 38

Nach dem Mischen und Einfangen – und dem „Reinigen“ der vielen nackten Antiprotonen, die keinen Antiwasserstoff gebildet haben – wird der supraleitende Magnet, der das einschließende Feld erzeugt, abrupt abgeschaltet – innerhalb von nur neun Tausendstel einer Sekunde. Dies führt zum „Quenchen“ des Magneten, einer schnellen Rückkehr zur normalen Leitfähigkeit, die zu einer schnellen Erwärmung und Spannung führt.

„Quenchen im Millisekundenbereich sind fast unbekannt“, sagt Fajans. „Einen supraleitenden Magneten absichtlich abzuschalten, geschieht normalerweise tausende Male langsamer und nicht mit einem Quench. Wir haben am Berkeley Lab viele Experimente gemacht, um sicherzustellen, dass der ALPHA-Magnet mehrere schnelle Quenches überleben kann.“

Vom Beginn des Quenchs an ließen die Forscher 30 Tausendstelsekunden Zeit, damit eingeschlossener Anti-Wasserstoff aus der Falle entweichen kann, ebenso wie alle nackten Antiprotonen, die sich noch in der Falle befinden könnten. Während dieses Intervalls könnten auch kosmische Strahlen durch das Experiment wandern. Durch den Einsatz von elektrischen Feldern, um die Falle von geladenen Teilchen zu säubern oder sie zu dem einen oder anderen Ende der Detektoren zu lenken, und durch den Vergleich der realen Daten mit Computersimulationen von Antiwasserstoff-Annihilationen und ähnlichen Ereignissen konnten die Forscher 38 Antiwasserstoff-Atome eindeutig identifizieren, die mindestens 172 Millisekunden lang in der Falle überlebt hatten – fast zwei Zehntelsekunden.

Sagt Fajans: „Unser Bericht in Nature beschreibt die ersten Erfolge von ALPHA beim Einfangen von Antiwasserstoffatomen, aber wir verbessern ständig die Anzahl und die Dauer, die wir sie festhalten können. Wir nähern uns dem Punkt, an dem wir einige Klassen von Experimenten mit Antimaterie-Atomen durchführen können. Die ersten Versuche werden grob sein, aber so etwas hat bisher noch niemand gemacht.“

„Trapped Antihydrogen“, von Gorm Andresen, Mohammad Dehghani Ashkezari, Marcelo Baquero-Ruiz, Will Bertsche, Paul Bowe, Eoin Butler, Claudio Lenz Cesar, Steve Chapman, Michael Charlton, Adam Deller, Stefan Eriksson, Joel Fajans, Tim Friesen, Makoto Fujiwara, Dave Gill, Andrea Gutierrez, Jeffrey Hangst, Walter Hardy, Mike Hayden, Andrew Humphries, Richard Hydomako, Matthew Jenkins, Svante Jonsell, Lars Jørgensen, Leonid Kurchaninov, Niels Madsen, Scott Menary, Paul Nolan, Konstantin Olchanski, Art Olin, Alex Povilus, Petteri Pusa, Francis Robicheaux, Eli Sarid, Sarah Seif el Nasr, Daniel de Miranda Silveira, Chukman So, James Storey, Robert Thompson, Dirk Peter van der Werf, Jonathan Wurtele und Yasunori Yamazaki, ist als Online-Vorabveröffentlichung in Nature erschienen. ALPHA wird zum Teil von der National Science Foundation und dem U.S. Department of Energy’s Office of Science unterstützt.

Das Berkeley Lab ist ein nationales Labor des U.S. Department of Energy, das von der Universität von Kalifornien für das DOE Office of Science geleitet wird. Besuchen Sie unsere Website.