Wir leben in einem Universum aus Materie. Aber zum Zeitpunkt des Urknalls existierten Materie und Antimaterie zu gleichen Teilen. Dass Antimaterie so gut wie verschwunden ist, deutet darauf hin, dass die Natur aus irgendeinem Grund eine starke Vorliebe für Materie hat. Physiker wollen wissen, warum Materie ihren Antimaterie-Zwilling ersetzt hat, und diese Woche ist die ALPHA-Kollaboration am CERN der Lösung des Rätsels einen Schritt näher gekommen.
ALPHA, ein 2005 gegründetes internationales Gemeinschaftsexperiment, wurde entwickelt, um Antiwasserstoffteilchen mit einem speziell entwickelten Experiment einzufangen und zu messen. Es macht dort weiter, wo sein Vorgänger ATHENA aufgehört hat, die Antimaterie zu durchsuchen. Der Fokus liegt auf Antiwasserstoff, da Wasserstoff das am häufigsten vorkommende Element im Universum ist und seine Struktur den Wissenschaftlern bestens bekannt ist.
Jedes Wasserstoffatom hat ein Elektron, das seinen Kern umkreist. Das Abfeuern von Licht auf die Atome regt das Elektron an, so dass es in eine weiter vom Kern entfernte Umlaufbahn springt, bevor es sich entspannt und in seine Ruhebahn zurückkehrt, wobei es Licht emittiert. Die Häufigkeitsverteilung dieses emittierten Lichts ist bekannt; es wurde präzise gemessen und ist in unserem Universum aus Materie einzigartig für Wasserstoff.
Eine Illustration von Wasserstoff und Antiwasserstoff. Bildnachweis: USAF
Die grundlegende Physik schreibt vor, dass der Antimaterie-Zwilling von Wasserstoff, Antiwasserstoff, gleichermaßen durch ein identisches Spektrum erkennbar sein sollte. Das heißt, wenn alles, was wir über die Teilchenphysik wissen, stimmt. Die Erfassung und Messung des Spektrums von Antiwasserstoff ist das Hauptziel der ALPHA-Gruppe.
ALPHA hat die ersten bescheidenen Messungen von Antiwasserstoff durchgeführt. In der ALPHA-Apparatur wird Antiwasserstoff durch eine Anordnung von Magneten gefangen, die das Magnetfeld der Atome beeinflussen. Mikrowellen, die auf eine bestimmte Frequenz abgestimmt sind und auf diese Antiwasserstoffatome gerichtet sind, drehen ihre magnetische Ausrichtung um und befreien sie. Der freigesetzte Antiwasserstoff trifft beim Entweichen auf Wasserstoff und die beiden vernichten sich gegenseitig und hinterlassen ein bekanntes Muster in Teilchendetektoren, die die Apparatur umgeben.
Die Apparatur erfasste Beweise für die springenden Elektronenbahnen in einem Antiwasserstoffatom, nachdem die Mikrowellenstrahlung ihren inneren Zustand geändert hatte. Das Ergebnis beweist weiter die Gültigkeit des ALPHA-Ansatzes und zeigt, dass das Gerät über genügend Kontrolle und Empfindlichkeit verfügt, um das Experiment, für das es entwickelt wurde, erfolgreich durchzuführen. Zukünftig wird sich ALPHA darauf konzentrieren, die Präzision seiner Mikrowellenmessungen zu verbessern, um das Antiwasserstoffspektrum mit Lasern aufzudecken.
Die spannenden Ergebnisse waren schwer zu bekommen, da Antiwasserstoff in der Natur nicht existiert. Es wird im ALPHA-Apparat aus Antiprotonen hergestellt, die selbst im Antiprotonen-Verzögerer und Positronen aus einer radioaktiven Quelle hergestellt werden. Und es muss ein ausreichend niedriges Energieniveau haben, um für Messungen gefangen zu bleiben. Aber es funktioniert, und es könnte Physikern den Schlüssel geben, den sie brauchen, um das Geheimnis des frühen Universums zu verstehen.
