Monatelang gefangen: Physiker schaffen das fast Unmögliche mit Antimaterie

Ein einziges Teilchen, kaum größer als ein Punkt in den Berechnungen der Physiker, beschäftigt ein Forschungsteam der Northwestern University in den USA seit Monaten. Es handelt sich um ein Positron, das Antiteilchen des Elektrons. Normalerweise verschwindet es, sobald es auf ein Elektron trifft. In einer speziellen Falle bleibt es dagegen über Monate erhalten.

Doch die lange Speicherung ist nur ein Teil des Erfolgs. Den Forschenden um Gerald Gabrielse gelang es auch, das Positron in einen besonders energiearmen Quantenzustand zu bringen und seine Bewegung gezielt zu verändern. Sie können einzelne Quantensprünge auslösen und nachweisen, ohne das Teilchen zu zerstören.

Das Experiment wurde am 21. Oktober 2026 in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht. Es bereitet eine neue Generation von Präzisionsmessungen vor, mit denen Physiker nach winzigen Unterschieden zwischen Materie und Antimaterie suchen wollen.

Warum Antimaterie keinen gewöhnlichen Behälter verträgt

Positronen besitzen die gleiche Masse wie Elektronen, tragen aber eine positive statt einer negativen elektrischen Ladung. Begegnen sich beide Teilchen, können sie sich gegenseitig vernichten. Bei dieser sogenannten Annihilation wird ihre Masse in Energie umgewandelt, beispielsweise in Form von Gammastrahlung. Ein Positron einfach in einen Behälter zu sperren, funktioniert deshalb nicht. Sobald es mit den Elektronen in der Behälterwand wechselwirkt, kann es annihilieren.

Das Team verwendet stattdessen eine sogenannte Penning-Falle. Sie hält elektrisch geladene Teilchen mithilfe magnetischer und elektrischer Felder im Vakuum fest. Ein starkes Magnetfeld zwingt das Positron auf eine kreisende Bahn. Elektrische Felder verhindern, dass es entlang der Magnetfeldachse entweicht. So schwebt das Teilchen, ohne die Wände der Apparatur zu berühren.

„Wenn wir Antimaterie untersuchen wollen, müssen wir vorsichtig mit ihr umgehen“, erklärt Gabrielse in einer Pressemitteilung der Northwestern University. Eine Gefahr für die Umgebung bestehe dabei nicht. Die verwendete Menge sei viel zu gering, um eine Explosion auszulösen.

Wie kommt ein Positron durch ein winziges Loch?

Bevor die Forschenden mit ihren Messungen beginnen konnten, mussten sie das Positron zunächst in die Falle bringen. Schon das erwies sich als aufwendig. Als Quelle dient das radioaktive Isotop Natrium-22. Bei seinem Zerfall entstehen Positronen, die zunächst mit hoher Geschwindigkeit davonfliegen. Die Forschenden bremsen sie mithilfe von Wolfram ab.

Anschließend müssen sie ein Positron durch eine Öffnung von lediglich 625 Mikrometern Durchmesser in die Messkammer bringen. Das entspricht 0,625 Millimetern. Warum verwenden sie keine größere Öffnung? Weil die Kammer zugleich als empfindlicher Mikrowellenresonator arbeitet. Eine größere Öffnung würde dessen Eigenschaften verschlechtern und die späteren Messungen beeinträchtigen.

Das Team nutzt deshalb einen Trick aus der Atomphysik. Das Positron verbindet sich vorübergehend mit einem Elektron zu sogenanntem Positronium. Dieses kurzlebige System ist elektrisch neutral und kann in einem geeigneten angeregten Zustand durch die winzige Öffnung gelangen.

Erst im Inneren der Kammer wird die Verbindung mithilfe eines elektrischen Feldes wieder getrennt. Das Elektron wird entfernt, das Positron bleibt zurück. Mit diesem Verfahren benötigt das Team derzeit etwa acht bis elf Stunden, um ein geeignetes Positron einzufangen. Danach kann es monatelang in der Falle bleiben.

Auch an der Universität Mainz entwickeln Forschende neue Methoden, um geladene Teilchen für die Antimaterieforschung zu kontrollieren. Dort entstand eine Falle, die mit zwei unterschiedlichen elektrischen Frequenzen arbeitet.

Quantensprünge bei minus 272,85 Grad Celsius

Das eingefangene Positron ist keineswegs bewegungslos. Im Magnetfeld kreist es weiter. Für die geplanten Präzisionsmessungen müssen die Forschenden diese Bewegung möglichst genau kontrollieren. Dafür kühlen sie die Messapparatur auf rund 0,3 Kelvin ab. Das entspricht minus 272,85 Grad Celsius, also nur drei Zehntel Grad über dem absoluten Nullpunkt.

Bei dieser Temperatur sind thermische Mikrowellenphotonen, die das Positron ungewollt anregen könnten, nahezu verschwunden. So kann das Team seine Kreisbewegung im Magnetfeld bis in den quantenmechanischen Grundzustand bringen.

„Wir kühlen es so stark ab, dass es sich in seinem quantenmechanischen Grundzustand befindet“, erläutert Gabrielse in der Pressemitteilung der Universität. Gemeint ist dabei der Grundzustand der sogenannten Zyklotronbewegung, nicht ein vollständiger Stillstand des Teilchens.

Anschließend können die Forschenden das Positron gezielt anregen. Dazu schicken sie Mikrowellen mit genau abgestimmten Frequenzen in die Messkammer. Das Teilchen nimmt Energie auf und wechselt auf ein höheres Energieniveau. Diese Übergänge erfolgen nicht stufenlos, sondern in genau festgelegten Portionen, den Quanten.

Besonders bemerkenswert ist, dass das Team diese Quantensprünge nachweisen kann, ohne das Positron zu vernichten. Die Forschenden erkennen den Zustand des Teilchens an winzigen Änderungen seiner Schwingungsfrequenz in der Falle.

Auch seinen Spin können sie kontrollieren. Diese quantenmechanische Eigenschaft ist mit dem magnetischen Moment des Positrons verbunden. Die speziell konstruierte Messkammer hilft dabei, unerwünschte Energieverluste zu verringern. Ein angeregter Bewegungszustand, der normalerweise nach durchschnittlich rund 83 Millisekunden zerfallen würde, bleibt darin etwa vier Sekunden bestehen.

Das Positron selbst kann wesentlich länger gespeichert werden. Die vier Sekunden beziehen sich ausschließlich auf den angeregten Zustand seiner Kreisbewegung.

Sind Elektron und Positron wirklich spiegelbildlich?

Die aufwendige Versuchsanlage dient einem größeren Ziel: Die Forschenden wollen das magnetische Moment des Positrons so genau messen wie nie zuvor. Dieses magnetische Moment beschreibt, wie sich ein Teilchen mit Spin in einem Magnetfeld verhält. Eine wichtige Kenngröße ist der sogenannte g-Faktor. Er lässt sich bei Elektronen inzwischen mit außergewöhnlicher Präzision bestimmen.

Für Positronen sind vergleichbare Messungen bisher deutlich schwieriger. Der bislang genaueste direkte Vergleich zwischen Elektron und Positron stammt aus dem Jahr 1987. Damals wurde ihre Übereinstimmung mit einer Unsicherheit von rund 2,1 Billionstel überprüft.

Mit der neuen Apparatur könnte die Genauigkeit der Positronenmessung um etwa den Faktor 30 steigen. Darauf weist Paolo Crivelli von der ETH Zürich hin, der die Arbeit für die American Physical Society unabhängig eingeordnet hat. Das wäre ein erheblicher Fortschritt bei der Überprüfung eines grundlegenden physikalischen Prinzips: der CPT-Symmetrie.

Sie besagt vereinfacht, dass die Naturgesetze bei einem gemeinsamen Austausch von Teilchen und Antiteilchen, einer Spiegelung der Raumkoordinaten und einer Umkehr der Zeitrichtung unverändert bleiben.

Daraus folgt unter anderem, dass Elektron und Positron denselben Betrag ihres magnetischen Moments besitzen müssen. Ein eindeutig nachgewiesener Unterschied würde grundlegende Annahmen der heutigen Quantenfeldtheorie infrage stellen.

Gabrielse formuliert die Bedeutung der geplanten Messungen in der Mitteilung der Northwestern University besonders deutlich:

„Die gegenwärtigen Theorien sagen voraus, dass es zwischen den beiden Messungen keinen Unterschied geben wird. Sollten sie doch unterschiedlich ausfallen, wäre das die größte Entdeckung der Physik im vergangenen Jahrhundert.“

Allerdings ist eine solche Abweichung bislang nicht gefunden worden. Die aktuelle Studie beschreibt zunächst den experimentellen Aufbau und die erfolgreiche Kontrolle eines einzelnen Positrons.

Kann das Experiment das Rätsel der Antimaterie lösen?

Warum besteht unser Universum fast ausschließlich aus gewöhnlicher Materie? Diese Frage beschäftigt die Physik seit Jahrzehnten. Viele Modelle des frühen Universums gehen davon aus, dass Materie und Antimaterie zunächst in vergleichbaren Mengen entstanden. Dennoch ist heute ein deutlicher Überschuss gewöhnlicher Materie zu beobachten.

Forschende untersuchen deshalb, unter welchen Bedingungen sich Teilchen und Antiteilchen unterschiedlich verhalten. Eine solche Asymmetrie lässt sich grundsätzlich auch erklären, ohne dass die CPT-Symmetrie verletzt sein muss.

Das neue Experiment liefert noch keine Erklärung für den Materieüberschuss. Es eröffnet jedoch die Möglichkeit, die vorhergesagte Übereinstimmung zwischen Elektron und Positron wesentlich genauer zu testen.

Ähnliche Ziele verfolgt die BASE-Kollaboration am CERN. Dort gelang es Forschenden bereits, den Spin eines einzelnen Antiprotons gezielt zwischen zwei Quantenzuständen zu verändern. Über das Antimaterie-Qubit und seine Bedeutung für Präzisionsmessungen haben wir berichtet.

Auch am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg arbeiten Forschende an einem besonders präzisen Vergleich von Elektron und Positron. Das Projekt LSym verfolgt einen anderen Messansatz, bei dem unter anderem Magnetfeldschwankungen möglichst gut ausgeglichen werden sollen.

Für Gabrielses Team beginnt nach dem erfolgreichen Aufbau nun die entscheidende Phase: die eigentliche Präzisionsmessung des magnetischen Moments.

Quellen

• Myers et al. (2026): One-Positron Quantum Cyclotron – Physical Review Letters, 137, 173001. Originalstudie vom 21. Oktober 2026, DOI: 10.1103/gbkc-6nlj.
• Northwestern University: Scientists trap and tame a single particle of antimatter for months – Pressemitteilung vom 21. Oktober 2026 mit Aussagen von Gerald Gabrielse und Pressefotos.
• Paolo Crivelli: A Quantum Cyclotron for Antimatter – Physics, American Physical Society, 21. Oktober 2026. Unabhängige wissenschaftliche Einordnung der Versuchstechnik, Messpräzision und CPT-Symmetrie.