Forschung 15.12.2000, 17:27 Uhr

Wo das Wort „Anti“ Hoffnung weckt

Sie bändigen Teilchen, um mit ihrer Hilfe erstmals Einblick in die Antiwelt zu erhaschen.

Warum existieren überhaupt Galaxien, Sterne, Planeten und damit wir selbst? „Dies sind wohl Fragen, die jeden interessieren“, sagt Rolf Landua. Und der Physiker am Europäischen Teilchenforschungszentrum Cern bei Genf ist überwältigt von der Vorstellung, „dass wir mit unseren Experimenten solche Fragen vielleicht irgendwann mal beantworten können.“
Auch für Alexander Bradshaw, Präsident der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, ist Physik mehr als Formelnbüffeln. „Physik ist lebendig, aufregend und immer wieder überraschend“, erklärte er kürzlich anlässlich des zu Ende gehenden „Jahrs der Physik“. Physik beantworte Fragen nach Ursprung und Schicksal des Universums.
Mit dieser Aussage trifft Bradshaw ins Herz des Antimaterie-Forschers Stephan Maury: „Unsere Antimaterie-Fabrik ist einzigartig in der Welt.“ Der 50-jährige Franzose ist am Cern verantwortlich für die Herstellung der Antiprotonen, den Kernbausteinen der Spiegelwelt aus Antimaterie. Stolz präsentiert Maury das Gebäude, so groß wie ein Hallenstadion, voll gestopft mit Apparaturen, Baucontainern, Betonblöcken, Computern, einem gigantischen Kran an der Decke und ringsherum, unter den schweren Betonklötzen, ein 188 m langer Ring, in dem die Antiprotonen ihre Kreise ziehen. In wohnzimmergroßen Räumen, durch Beton-Stellwände voneinander getrennt, aber gegen oben zur Experimentierhalle geöffnet, hantieren je eine Hand voll Physiker an ihren armlangen „Antimaterie-Fallen“ – raffinierten Wunderwerken der Experimentierkunst, in denen Wolken aus Antiteilchen mit elektomagnetischen Feldern in der Schwebe gehalten werden.
Ähnlich labil wie die schwebenden Antiteilchen ist der Stuhl von John Eades. Grau in grau gekleidet, im Moment mindestens so viel Philosoph wie Physiker, lehnt er sich zurück, legt die Füße lässig auf den Schreibtisch, schaukelt auf nur zwei Stuhlbeinen hin und her und kramt zwischen einigen Manuskriptstapeln einen Handspiegel hervor. „Wenn ich ein Telefon bauen würde, das genau aussieht wie das im Spiegel, würde es ebenso gut funktionieren wie das Original, auch wenn es von links herum drehenden Schrauben zusammengehalten wird“, sagt der Antimaterie-Forscher von Asacusa (Atomic Spectroscopy and Collisions Using Slow Antiprotons). Ganz Ähnliches trifft nach den modernen Theorien der Physik auch auf das Universum zu: Ein Universum aus Antimaterie sollte von dem unseren nicht zu unterscheiden sein.
Und genau hier liegt das große Problem. „Warum sich in der ersten Sekunde nach dem Urknall nicht alle Teilchen mit den Antiteilchen ausgelöscht haben und alles in Strahlung aufgegangen ist, das weiß niemand“ sagt Landua, Chef des Antimaterie-Experiments Athena (Antihydrogen Apparatus). Denn wären Antiteilchen das identische Gegenstück zu den Teilchen, hätten sie sich im Urknall gegenseitig ausgelöscht. Nichts als Strahlung sollte das Universum füllen, keine Galaxien, keine Planeten – und mithin keine Menschen. Daher suchen die Forscher von der Antimaterie-Fabrik nach einer kleinen Dominanz der Materie über die Antimaterie, mit der die Existenz der Planeten und von Menschen erklärbar wäre.
Vor vier Jahren ging ein Aufschrei durch die Fachwelt, als es Forschern um den deutschen Physiker Walter Oelert am Cern erstmals gelang, Antiwasserstoff herzustellen, und zwar mit dem weit weniger leistungsfähigen Vorgänger der Antimaterie Fabrik, dem Lear (Low Energy Antiproton Ring). Die Antiatome rasten jedoch mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch die Apparatur und waren längst durch den Zusammenstoß mit Materieteilchen in einem Energieblitz verschwunden, bevor die Physiker den Antiwasserstoff untersuchen konnten.
Kurz darauf wurde Lear geschlossen. Von nun an galt fast alle Aufmerksamkeit und ein Großteil der Finanzen dem künftigen Flaggschiff des Cern, dem Large Hadron Collider (LHC), der bis 2005 gebaut werden soll. „Alle Mittel waren für den LHC reserviert und man konnte aus dem Management nur ideelle, aber wenig finanzielle Unterstützung für die Erforschung der Antimaterie herauslocken“, sagt Landua.

Mit dem Hut sammeln für die neue Antimaterie-Fabrik

Daher machte er gewissermaßen mit dem Hut die Runde. Mit Hilfe des Teilchenforschers Toshimitsu Yamazaki, der über die Hälfte des Geldes in Japan auftrieb, mit finanziellen Beiträgen aus Deutschland und Italien, von der Harvard Universität in den USA, und mit Manpower aus Dänemark, brauchte es dann nur noch eines kleinen Zuschusses vom Cern, um die 8 Mio. Franken teure Antimaterie-Fabrik zu bauen.
Herzstück der Antimaterie-Fabrik ist der 188 m lange Ring, der Antiproton Decelerator (AD). Der AD ist die Antithese zur üblichen Forschungsstrategie des Cern. Während in der Regel eine Unmenge Energie in die Beschleuniger gepumpt wird, um die Teilchen auf maximale Geschwindigkeit zu bringen, wirkt der AD wie ein Bremsklotz und holt die Antiprotonen von 96 % Lichtgeschwindigkeit auf gemäßigte 10 % Lichtgeschwindigkeit herunter. Schließlich geht es nicht wie sonst darum, Teilchen mit maximaler Energie aufeinander knallen zu lassen, sondern darum, sie einzufangen.
Nach dem zweiminütigen Bremsvorgang im AD nehmen die Antiprotonen Kurs auf die Experimente. Kaum erreichen sie die Fallen, schalten die Forscher elektromagnetische Felder ein, und halten so eine Wolke von rund hunderttausend Antiprotonen in der Schwebe. Mit einem ähnlichen Verfahren akkumulieren die Physiker etwa hundert Millionen Positronen in einer separaten Falle, um sie anschließend mit den Antiprotonen zu mischen. „Damit können wir rund 100 Antiwasserstoff-Atome pro Sekunde produzieren“, sagt Landua.
Reichlich Inspiration liefert die Antimaterie nicht nur den Physikern, sondern auch den Science-Fiction-Autoren. Wohl bekannt ist das Raumschiff Enterprise, das von einem Antimaterie-Antrieb auf Überlichtgeschwindigkeit beschleunigt wird. „Die Idee, Antimaterie als Antrieb zu benützen, ist im Grunde gar nicht so blödsinnig“, sagt Landua. Antimaterie hat nämlich die hunderttausendmillionenfache Energiedichte einer Batterie. Ein Gramm Antimaterie hätte etwa so viel Energie wie 23 externe Treibstofftanks eines Space-Shuttles. Es ist allerdings eine teure Energiequelle. „Der Aufwand, den wir zur Herstellung weniger Antiprotonen betreiben ist enorm“, so Landua weiter. Denn in die Antimaterie-Fabrik müssen die Forscher rund 100 Millionen Mal mehr Energie stecken, als nachher in Form von Antiteilchen zur Verfügung steht. „In den letzten Zehn Jahren haben wir am Cern nur wenige Milliardstel Gramm Antiteilchen produziert“, sagt Landua. Das entspricht 10 g an gewöhnlichem Treibstoff.
Dennoch wollen Forscher vom Nasa Marshall Space Flight Center und von der Pennsylvania State University Antimaterie für den Raketenantrieb einsetzen. Allerdings nicht als Energielieferant, sondern als Zündfunke. „Die wollen spaltbares Material mitnehmen und die Spaltung mit Antiprotonen auslösen“, sagt Landua. Doch das ist Zukunftsmusik. Bei der so genannten Positron Emission Tomography (PET) werden Anti-Elektronen (Positronen) dagegen schon seit vielen Jahren für medizinische Zwecke eingesetzt, etwa zum Studium der Hirnfunktion.
„In der Antimaterie-Fabrik ist viel Hoffnung zu spüren“, sagt Peter Yesley vom Atrap Experiment (Antihydrogen Trap). Es ist die Hoffnung, dass die Forscher mit ihren Experimenten in den kommenden zehn Jahren nicht nur Physikgeschichte, sondern auch ein Kapitel Philosophie schreiben. Sicher sind sie sich dessen freilich keineswegs. Manche theoretischen Physiker vermuten eine so winzig kleine Verzerrung des Spiegels – wenn es sie denn überhaupt gibt – dass selbst die Antimaterie-Fabrik sie nie und nimmer erkennen kann. Aber Eades weiß einen Trost: „Wer mit Gewissheiten beginnt, wird in Zweifel enden“, zitiert er den englischen Staatsmann und Philosophen Francis Bacon und nimmt ehrfurchtsvoll die Füße vom Tisch. „Aber wenn er sich zu Beginn mit Zweifeln begnügt“, sagte Bacon schon 1605, „wird er sich seiner Sache am Ende sicher sein.“ JOACHIM LAUKENMANN

Cern im Umbau

Das Forschungszentrum Cern befindet sich zur Zeit im Umbruch. Erst vor wenigen Wochen wurde der 27 km lange „Large Electron Positron Collider“ nach einer turbulenten Endphase abgeschaltet. Er soll nun dem künftigen Flaggschiff des Cern Platz machen, dem „Large Hadron Collider“, der im Jahr 2005 in Betrieb gehen soll. Die nächsten Jahre ist der größte Beschleuniger-Ring der Welt daher eine Dauerbaustelle und die Antimaterie-Fabrik eines der bedeutendsten Forschungsprojekte am Cern. Mit zwei Experimenten – Athena (Antihydrogen Apparatus) und Atrap (Antihydrogen Trap) – untersuchen die Wissenschaftler das einfachste Atom der Antiwelt, den Antiwasserstoff. Ein drittes Experiment – Asacusa (Atomic Spectroscopy and Collisions Using Slow Antiprotons) – fängt Kernbausteine der Antiwelt in einer von der Natur bereitgestellten Falle ein, dem Helium-Atom. jl

Von Jl
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