Erste spektroskopische Untersuchung von Antiwasserstoff

Genf (Schweiz) / Aarhus (Dänemark) - Einem internationalen Forscherteam am Teilchenforschungszentrum CERN bei Genf ist es erstmals gelungen, Antiwasserstoff spektroskopisch zu untersuchen. Die Messungen der Physiker zeigen, dass der von ihnen untersuchte Strahlungsübergang bei Antiwasserstoff-Atomen sich nicht von dem entsprechenden Übergang bei normalen Wasserstoff-Atomen unterscheidet. Das Experiment bestätige mit einer Genauigkeit von 1 : 5 Milliarden die Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie, so die Wissenschaftler im Fachblatt „Nature“.

„Das Standardmodell der Teilchenphysik sagt voraus, dass beim Urknall Materie und Antimaterie in gleichen Mengen entstanden sein sollten“, schreiben Jeffrey Hangst von der Universität Aarhus in Dänemark und seine Kollegen, „doch unser heutiges Universum besteht nahezu ausschließlich aus Materie.“ Die vom Standardmodell vorhergesagte Symmetrie von Materie und Antimaterie scheint also nicht perfekt zu sein – deshalb suchen die Physiker nach Unterschieden zwischen Wasserstoff und Antiwasserstoff.

Ein Eckpfeiler des Standardmodells ist die „CPT-Invarianz“: Kehrt man in einem System von Teilchen die Ladung (charge, C), die Parität (parity, P) genannte räumliche Orientierung und die Zeitrichtung (time, T) um, so laufen alle Vorgänge in dem System bis auf diese Spiegelung völlig identisch ab. Deshalb sollten sich nach dem Standardmodell Wasserstoff-Atome und Antiwasserstoff-Atome in ihren physikalischen Eigenschaften nicht voneinander unterscheiden.

Um diese Vorhersage zu überprüfen – oder Abweichungen davon aufzuspüren – benötigen die Forscher zunächst einmal eine ausreichende Menge von Antiwasserstoff-Atomen. Während normaler Wasserstoff aus einem Proton besteht, dass von einem Elektron umkreist wird, kreist beim Antiwasserstoff ein Positron um ein Antiproton. Im Jahr 2002 gelang es am CERN erstmalig, aus Antiprotonen und Positronen Antiwasserstoff herzustellen. Und erst seit wenigen Jahren ist es am ALPHA-Experiment am CERN möglich, diese Antiwasserstoff-Atome in ausreichender Zahl abzubremsen und einzufangen, sodass die Forscher Untersuchungen an ihnen durchführen können.

Hangst und seine Kollegen haben im Mittel 14 Antiwasserstoff-Atome mithilfe magnetischer Felder in einer 28 Zentimeter klangen und 4,4 Zentimeter durchmessenden Vakuumkammer eingesperrt. Mithilfe von Laserstrahlen regten sie die Atome zum 1S-2S-Übergang an, einem Übergang aus dem Grundzustand in einen mit einer Lebensdauer von einer achtel Sekunde metastabilen Zustand. Dieser Übergang eignet sich aufgrund der Lebensdauer und der damit verbunden schmalen Linienbreite besonders gut für solche Untersuchungen. Die so bestimmte Strahlungsfrequenz des Übergangs stimmt im Rahmen der Messgenauigkeit mit jener überein, die man bei normalen Wasserstoff-Atomen misst.

Damit haben die Forscher einmal mehr das Standardmodell bestätigt – obwohl sie nach einer Abweichung suchen um den Überschuss an Materie im Kosmos zu erklären. Aber für Hangst und seine Kollegen ist das Experiment nur ein Anfang. Mit noch mehr Antiwasserstoff-Atomen hoffen die Physiker, künftig auch die Linienform des Übergangs untersuchen und so der CPT-Invarianz noch genau auf den Zahn fühlen zu können.

Bildquelle: CERN