Wiener Entwicklung verspricht präzise Messung von Antiwasserstoffatomen

12. Juni 2017, 13:16
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Verbesserung alter Methode soll Hyperfeinstruktur von Antiwasserstoff analysierbar machen

Wien/Genf – Eine Wiener Forschungsgruppe hat eine alte Methode zur Analyse von Wasserstoffatomen derart "upgedatet", dass damit das Studium von Antiwasserstoff mit bisher unerreichter Präzision möglich wird. Am Europäischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf soll die Methode nun bei der Beantwortung der alten, großen Frage helfen, warum es nur Materie und keine Antimaterie im Universum gibt.

Zu jedem Elementarteilchen gibt es ein Gegenstück. Laut Standardmodell der Teilchenphysik gibt es theoretisch eine perfekte Symmetrie zwischen diesen Gegenstücken, also zwischen Materie und Antimaterie – Physiker sprechen dabei von "CPT-Symmetrie". Demnach haben Teilchen und ihre Antiteilchen gleiche Massen, Lebensdauer und gleich große, aber entgegengesetzte Ladung. Auch alle anderen Eigenschaften sind gleich oder entgegengesetzt.

Diese CPT-Symmetrie hat sich bisher in Messungen auch bestätigt. Allerdings muss es am Anbeginn des Universums eine größere Schieflage in der Verteilung gegeben haben. Denn wäre alles gleich verteilt gewesen, hätten beim Urknall gleich viel Materie und Antimaterie erzeugt werden müssen, die sich sofort wieder vernichtet hätten – das Universum würde in diesem Fall gar nicht existieren.

ERC-Projekt

Tatsächlich fand sich im Universum bisher nur Materie, sagt Eberhard Widmann, Direktor des Stefan-Meyer-Instituts für subatomare Physik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW). Denkbar sei auch, dass sich erst irgendwann nach dem Urknall ein Ungleichgewicht gebildet hat. Hinweise dafür fanden Wissenschafter schon in den 1950er und 1960er Jahren, als bestimmte Symmetriebrüche bei einigen Elementarteilchen festgestellt wurden. Eine derart krasse Ungleichverteilung zwischen Materie und ihrem Gegenstück lässt sich damit aber nicht erklären.

Um mehr darüber herauszufinden, konzentrieren sich die Forscher auf Antiwasserstoff, das einfachste aus Antimaterie aufgebaute Atom. Da sein quasi omnipräsentes Materie-Gegenstück – der Wasserstoff – so gut untersucht ist, "kann man damit die Symmetrie am grundlegendsten untersuchen", sagte Widmann. Die Wissenschafter suchen also nach einer Art Nachhall oder Signatur des mysteriösen Ungleichgewichts in dem Wasserstoff-Gegensatzpaar und damit nach Hinweisen, wo das gängige Standardmodell der Teilchenphysik Erweiterungen braucht.

In dem Projekt, das Widmann und sein Team im Rahmen eines "Advanced Grants" des Europäischen Forschungsrats (ERC) von 2011 bis 2016 vorangetrieben haben, gelang es den Wissenschaftern 2014 am CERN erstmals, einen Strahl aus Antiwasserstoff-Atomen herzustellen. Damit lag erst einmal das Untersuchungsobjekt in kleinen Mengen vor. Der nächste Schritt war nun die Frage, wie man diesen genau genug untersuchen kann.

Rückgriff auf Rabi

Hier nahmen sich Widmann einer Methode zur Analyse von Wasserstoff aus den 1930er Jahren an, für die der US-Physiker Isidor Isaac Rabi 1944 den Nobelpreis erhielt. Diese "Lehrbuchmethode" kam dann in den 1960er Jahren für Wasserstoff aus der Mode, da es genauere Methoden zur Untersuchung gab. Für diese müssen Atome in einem Gefäß eingesperrt werden – das kommt für Antimaterie aber nicht infrage, da sie nicht mit Materie in Verbindung gebracht werden darf. Bei Rabis Methode fliegen die Teilchen durch ein Vakuum und interagieren nicht mit Materie.

Das Wiener Team erschloss diese alte Vorgehensweise für seine neuen Zwecke nun mit Hilfe von komplexen Computersimulationen, die dann in die Konstruktion des Messinstruments mündeten. Am Computer konnten sie auch simulieren, wie sich die Antiwasserstoffatome in dem Aufbau verhalten werden, bevor die eigentlichen Messungen der Hyperfeinstruktur durchgeführt werden. Aus den nun veröffentlichten Untersuchungen an Wasserstoff lasse sich darauf schließen, dass der Antiwasserstoff dann wesentlich genauer vermessen werden kann als je zuvor.

Die Anlage steht mittlerweile schon am CERN, so Widmann. Um Antimaterie hinlänglich erforschen zu können, brauchen die Wissenschafter aber noch mehr der so schwierig herzustellenden Atome – respektive einen stärkeren Teilchen-Strahl. Daran wird ab Mitte August in der Schweiz gearbeitet. (APA, 12.6.2017)


Link
Nature Communications: "In-beam measurement of the hydrogen hyperfine splitting and prospects for antihydrogen spectroscopy"

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