2 Fliegen, 1 Falle: Mainzer Physik-Trick ebnet Weg für Antimaterie
Forschende lösen ein zentrales Problem der Antimaterie: Zwei Frequenzen in einer Falle. Was das für Antiwasserstoff bedeutet.
Die neue Zweifrequenz-Paul-Falle, die von Physikern der JGU und des Helmholtz-Instituts Mainz entwickelt wurde, kann schwere Kalziumionen oder leichte Elektronen einfangen.
Foto: Hendrik Bekker, JGU
Die Erzeugung von Antiwasserstoff gilt in der Physik als Königsdisziplin. Bisher scheiterte eine effizientere Herstellung oft an einem technischen Dilemma: Die Bausteine der Antimaterie lassen sich nur schwer gemeinsam kontrollieren. Ein Team der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) hat nun einen neuen Ansatz entwickelt.
Mit einer neuartigen Radiofrequenzfalle zeigen die Forschenden, dass sich Teilchen mit stark unterschiedlichen Eigenschaften in derselben Architektur fangen lassen. Das könnte neue Wege für die Antimaterieforschung eröffnen.
Inhaltsverzeichnis
Das Dilemma der zwei Welten
Antiwasserstoff ist das Spiegelbild des gewöhnlichen Wasserstoffs. Während Wasserstoff aus einem positiven Proton und einem negativen Elektron besteht, setzt sich Antiwasserstoff aus einem negativen Antiproton und einem positiven Positron zusammen. Um dieses künstliche Atom zu erzeugen, müssen Forschende beide Teilchenarten räumlich zusammenbringen.
Hier liegt das Problem: Physikerinnen und Physiker nutzen dafür meist Paul-Fallen. Diese Geräte arbeiten mit Radiofrequenzfeldern, um geladene Teilchen stabil zu halten. Doch jede Teilchenart stellt eigene Anforderungen. Positronen sind extrem leicht. Sie benötigen Felder im Gigahertz-Bereich (GHz), um stabil zu bleiben. Die deutlich schwereren Antiprotonen hingegen lassen sich nur bei niedrigeren Frequenzen im Megahertz-Bereich (MHz) kontrollieren.
Bisherige Fallen waren meist auf eine einzige Frequenz ausgelegt. Man konnte also entweder das eine oder das andere Teilchen einfangen, aber nur schwer beide in einem gemeinsamen System. „Radiofrequenzfallen, auch Paul-Fallen genannt, werden von Physikerinnen und Physikern seit langem genutzt, um bestimmte Teilchen einzufangen“, erklärt Dr. Hendrik Bekker aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Dmitry Budker. „Allerdings sind sie in der Regel auf eine einzige Frequenz beschränkt.“
Die Lösung: Eine Falle mit getrennten Frequenzebenen
Das Mainzer Team um Bekker und Budker hat in Kooperation mit der University of California, Berkeley, eine Zweifrequenz-Paul-Falle entwickelt. Das Gerät besteht aus drei übereinander liegenden Leiterplatten, die durch Keramik-Abstandhalter getrennt sind.
- Die mittlere Platte: Sie enthält einen Wellenleiter-Resonator und erzeugt das hochfrequente GHz-Feld für die leichten Teilchen.
- Die äußeren Platten: Hier befinden sich segmentierte Elektroden, die das niedrigere MHz-Feld für die schweren Teilchen erzeugen.
Für ihre Testläufe nutzten die Forschenden Kalziumionen und Elektronen als Stellvertreter. Diese sind leichter verfügbar als Antimaterie, bilden aber den starken Massenunterschied zwischen Positronen und Antiprotonen physikalisch nach. Den Forschenden gelang es, beide Teilchenarten getrennt voneinander in derselben Apparatur zu speichern.
Hürden auf dem Weg zur Gleichzeitigkeit
Obwohl die Technik darauf ausgelegt ist, beide Teilchenarten gleichzeitig zu halten, bleibt die praktische Umsetzung schwierig. Ein stabiler gleichzeitiger Einschluss beider Teilchentypen ist bislang nicht gelungen.
Das Team stellte fest, dass Elektronen sehr empfindlich auf das Feld reagieren, das eigentlich für die Ionen gedacht ist. Erhöht man die Stärke des Niederfrequenzfeldes, verlassen die Elektronen die Falle. Die Ionen hingegen bleiben vom Hochfrequenzfeld weitgehend unbeeinflusst.
Die größte Herausforderung liegt damit in der Entkopplung der beiden Frequenzfelder. Sie dürfen sich nicht gegenseitig destabilisieren.
Zusätzlich treten mechanische Effekte auf. Winzige Unebenheiten auf den Elektroden, minimale Fehlausrichtungen oder elektrostatische Aufladungen beeinflussen die Feldverteilung. Die nächste Generation der Geräte soll daher mit lasergeätzten, glatteren Oberflächen und verbesserter thermischer Stabilität arbeiten.
Warum der Aufwand? Der Test der Naturgesetze
Antiwasserstoff ist für die Wissenschaft deshalb so interessant, weil er grundlegende Theorien überprüfbar macht. Laut dem sogenannten CPT-Theorem sollten sich Materie und Antimaterie exakt gleich verhalten. Die Energieniveaus von Antiwasserstoff müssten also identisch zu denen von Wasserstoff sein.
Schon kleinste Abweichungen würden etablierte Modelle infrage stellen. Messungen am CERN bestätigen die Übereinstimmung bislang mit hoher Präzision – bis auf etwa 10⁻¹² genau.
Ein weiteres Forschungsfeld ist die Gravitation. Da Antiwasserstoff elektrisch neutral ist, lassen sich Gravitationskräfte deutlich besser isolieren als bei geladenen Teilchen, bei denen elektromagnetische Effekte dominieren.
Antimaterie bleibt ein logistisches Problem
Ein zentrales Hindernis ist der Zugang zu Antimaterie. Derzeit ist die „Antimatter Factory“ am CERN die wichtigste Quelle für Antiprotonen. Der Zugang ist damit stark zentralisiert.
Doch erste Fortschritte zeigen neue Möglichkeiten. „Der jüngste Erfolg beim Transport von Antiprotonen mit einem Lkw hat gezeigt, dass die Lieferung von Antiprotonen an Forscher weit entfernt vom CERN machbar ist“, sagt Dmitry Budker. Wir haben darüber berichtet.
Sollte sich die neue Fallentechnologie weiterentwickeln, könnten künftig mehr Labore weltweit mit Antimaterie arbeiten.
Perspektiven über Antiwasserstoff hinaus
Die Technik eröffnet auch neue experimentelle Ansätze. Ein Beispiel ist die Frage, ob Positronen kurzzeitig an Atome binden können.
„Die theoretische Physik sagt uns beispielsweise, dass Positronen an Atome binden können sollten – wenn auch nur für einen extrem kurzen Moment. Wir könnten diese Theorie vielleicht zum ersten Mal in einem experimentellen Rahmen überprüfen“, so Bekker.
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