Teilchenphysik Cern misst Quanteneffekt am Anti-Wasserstoff

Am Cern fühlen Forschende dem Anti-Wasserstoff auf den Zahn, dem Antimaterie-Gegenstück von Wasserstoff. Das Ziel ist nicht mehr und nicht weniger als das Rätsel unserer Existenz zu lösen. Nun berichten sie von neuen Erkenntnissen über das Anti-Atom.

Eigentlich hätte beim Urknall gleich viel Materie und Antimaterie entstehen müssen, so die bis heute gültige Theorie. Weil sich beide gegenseitig auslöschen, hätte eigentlich keine Materie übrigbleiben dürfen. Und doch gibt es das Weltall mit seinen Sternen, Planeten, der Erde und der Menschheit. Somit ist es ein wahrhaft existenzielles Rätsel, dem Forschende am Cern bei Genf auf der Spur sind.

Indem sie Anti-Wasserstoff, das Antimaterie-Pendant zu Wasserstoff, bis ins kleinste Detail vermessen, hoffen sie, eine Erklärung zu finden. Ein winziger Bruch in der Symmetrie von Materie und Antimaterie, ein kleinster Unterschied im Verhalten von Teilchen und Antiteilchen könnte den Weg weisen zur Lösung des Rätsels.

Das internationale Forschungsteam des Alpha-Experiments berichtet nun im Fachblatt «Nature» von neuen Erkenntnissen über Anti-Wasserstoff. Einen Unterschied zu Wasserstoff fanden sie zwar auch diesmal nicht, doch die Ergebnisse ebnen den Weg für noch präzisere Messungen, wie das Cern mitteilte.

Positronen im Visier

In ihrem Fachartikel berichten die Forschenden von der sogenannten Feinstruktur und der «Lamb-Verschiebung» des Anti-Wasserstoffs. Dabei geht es grob gesagt um Eigenschaften der Energieniveaus, welche Elektronen im Wasserstoff, beziehungsweise Anti-Elektronen (Positronen) im Anti-Wasserstoff einnehmen können.

Die Forschenden des Alpha-Experiments können bereits seit einigen Jahren unter grossem Aufwand Anti-Wasserstoff-Atome herstellen, in einer Magnetfalle unter Hochvakuum einfangen und mittlerweile über mehrere Tage aufbewahren und damit experimentieren. Indem sie die Anti-Atome in der Magnetfalle mit Laserlicht anregen, können sie die Übergänge der Positronen zwischen verschiedenen Energieniveaus messen. So berichteten sie zuletzt 2018 von Messungen der sogenannten Lyman-alpha-Elektronentransition, einem Übergang eines (Anti-)Elektrons vom niedrigsten Energielevel (1S) auf ein höheres (2P).

Feinstruktur und Quanteneffekt

In der neuen Studie gingen die Wissenschaftler noch mehr ins Detail des angeregten Zustands und konnten dessen Feinstruktur vermessen. Gemeint ist damit die Zusammensetzung dieses Energieniveaus aus mehreren Energiewerten. Zudem untersuchten sie die sogenannte Lamb-Verschiebung, einen quantenphysikalischen Effekt, der zu geringfügige Differenzen bei diesen Energiewerten führt. Die Entdeckung dieses Effekts durch Willis Lamb vor rund 70 Jahren legte die Basis für die Quantenelektrodynamik, die Theorie, wie Materie mit Licht interagiert.

Sowohl in Feinstruktur als auch Lamb-Verschiebung konnten die Forschenden keinen Unterschied zwischen Anti-Wasserstoff und Wasserstoff feststellen. Auch wenn sich damit also noch keine Antwort auf das Rätsel der Existenz von Materie abzeichnet, werten die Forschenden die neuen Ergebnisse als Erfolg. Denn sie ebnen den Weg für neue Methoden, Anti-Wasserstoff in Zukunft noch präziser zu untersuchen.

Der nächste Schritt sei, grosse Mengen von Anti-Wasserstoff mithilfe von modernster Laser-Kühlungstechnik zu kühlen und damit noch exaktere Messungen und Vergleiche anzustellen denn je, wie Jeffrey Hangst, Sprecher des Alpha-Experiments, gemäss Mitteilung erklärte.

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2006-5