ALPHA Experiment am CERN konserviert Antimaterie während 1000 Sekunden

Was Antimaterie ist

Teilchen von oben nach unten Elektron, Proton, Neutron und ihre Antiteilchen (rechts)ts)

Teilchen von oben nach unten: Elektron, Proton, Neutron und ihre Antiteilchen (rechts)

Zu jedem Elementarteilchen, wie Proton, Neutron und Elektron gibt es in der Natur ein Gegenstück, genannt Antiproton, Antineutron, beziehungs-weise Antielektron.

Die Teilchen haben dieselbe Masse, aber entgegengesetzte Ladungen. So hat das Elektron, dieselbe Masse wie das Antielektron (auch Positron ge-nannt) , aber eine entgegengesetzte elektrische Ladung.

Dies ist allerdings nur der sichtbare Unterschied. Der weniger offen-sichtliche Unterschied liegt darin, dass Teilchen aus Quarks und Anti-teilchen aus Antiquarks zusammengesetzt sind.

Dies merkt man bei elektrisch neutralen Teilchen wie dem Neutron und dem Antineutron. Der Unterschied zwischen den beiden besteht hier in der Zusammensetzung aus Quarks respektive Antiquarks der Teilchen und Antiteilchen.

Wie Antimaterie hergestellt wird

Antimaterie entsteht auf natürliche Weise zum Beispiel in kosmischer Strahlung, Kürzlich wurde Antimaterie auch in Gewittern nachgewiesen.

Antimaterie kann allerdings auch künstlich hergestellt werden, nämlich, wie das CERN schreibt:

Es ist mit den CERN Beschleunigern möglich einzelne Teilchen, wie zum Beispiel ein Proton, auf nahezu Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Trifft nun ein solches Teilchen auf anderes Material, wird seine Energie transformiert, was Temperaturen von 10’000’000’000’000 °C oder mehr. Unter diesen Umständen wird die freigesetzte Energie in Materie umgewandelt. In vielen Experimenten wurde nachgewiesen, dass diese Umwandlung immer paarweise geschieht und ein Teilchen und sein Antiteilchen entsteht.

Neben einzelnen Antiteilchen kann man seit etwa 1995 (ebenfalls am CERN) auch ganze Antiatome, zum Beispiel Antihydrogen, herstellen.

Das Problem mit Antimaterie

Feyman Diagramm einer Elektron Positron Annihilation

Feyman Diagramm einer Elektron Positron Annihilation

Antiteilchen werden als gleich stabil wie ihre korrespondieren-den Teilchen angesehen. Somit müsste ein Antiwasserstoff Atom eine gleich lange Lebensdauer aufweisen, wie das Wasserstoffatom.

Das Problem mit der Antimaterie liegt allerdings, dass sie nicht gut darauf reagiert, wenn sie mit Materie in Kontakt kommt. Dies führt regelmässig zur Vernichtung der beiden, der soge-nannten Annihilation.

Die sei kurz erklärt am Beispiel der Elektron-Positron Anni-hilation (bei niedriger Energie, d.h. bei Teilen die sich nicht allzu schnell bewegen).

In diesem Fall entstehen aus dem Elektron-Positron Paar zwei sich in entgegengesetzter Richtung (Impulserhaltung!) bewegender Gammastrahlen (schnelle Photonen). Oder als Formel:

e− + e+→ γ + γ

Dies geschieht ziemlich schnell, so das kaum Zeit bleibt, die Eigenschaften der Antimaterie zu studieren.

Das CERN Experiment

Der Lösung dieses Problems scheint das ALPHA Experiment am CERN nun einen grossen Schritt näher gekommen zu sein. Ist es dem Team doch gelungen, 300 Antiwasserstoff Teilchen für 1000 Sekunden, oder ca. 16 Minuten, einzufangen. Dies haben die Forscher mit Hilfe einer (modifizierten) Penning-Falle erreicht, welche im Grunde aus statischen elektrischen und magnetischen Feldern besteht, welche die Teilchen quasi einsperren.

Die ALPHA Antiwasserstoff-Falle sieht schematisch so aus:

ALPHA Antiwasserstoff-Falle (Klicken um zu vergrössern)

ALPHA Antiwasserstoff-Falle (Klicken um zu vergrössern)

Die Forscher versprechen sich nun weitere Erkenntnisse über die Eigenschaften von Antiwasserstoff und allfällige Unterschiede zum Wasserstoff. Als nächsten Schritt, der noch dieses Jahr stattfinden soll, planen die Forscher die Antiwasserstoffatome mit Mikrowellen zu beschiessen um zu sehen, ob diese die gleichen Frequenzen (d.h. Energien) absorbieren, wie ihre entsprechenden Gegenteilchen, die Wasserstoffatome.

Wird ein Antiwasserstoffatom nämlich mit der richtigen Mikrowellenfrequenz getroffen, verlässt es die Falle und eine Paar-Annihilation kann – auch für einzelne Atome – festgestellt werden.

In einem weiteren Schritt erhofft man sich Erkenntnisse zu sog. CPT-Theorem.

(Quelle: CERN-Englisch (Press Release), Nature-Englisch (die wissenschaftliche Arbeit))

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