Physiker fangen Antimaterie ein: Einziges Positron kontrolliert

Gefangenes Antimaterie-Teilchen macht erstmals Quantensprünge

Physiker der Northwestern University haben ein einzelnes Positron, das Antiteilchen des Elektrons, in einer Penning-Falle eingefangen und bis in seinen quantenmechanischen Grundzustand abgekühlt. Das Antimaterie-Teilchen schwebt seit Monaten in einem nahezu perfekten Vakuum, rund 0,3 Grad über dem absoluten Nullpunkt, und lässt sich mit Mikrowellen gezielt zwischen einzelnen Energiestufen hin und her schalten.

Damit ist erstmals ein sogenanntes Ein-Positron-Quantenzyklotron gelungen. Eine neue Messung steht damit noch aus, doch der Aufbau soll den bislang strengsten Vergleich von Materie und Antimaterie bei Elektronen ermöglichen. Nach dem Standardmodell der Teilchenphysik sind Elektron und Positron exakte Spiegelbilder mit gleicher Masse und entgegengesetzter Ladung.

Ihr magnetisches Moment muss deshalb identisch sein. Eine Abweichung würde am Standardmodell der Teilchenphysik rütteln. Die Forscher hoffen, hier auf einen winzigen Unterschied zu stoßen, der die größte Entdeckung in der Physik der letzten hundert Jahre bedeuten könnte.

Die gesamte Anordnung sitzt in einem vollständig abgeschlossenen Vakuumbehälter, den ein Verdünnungskühlschrank auf etwa 300 Millikelvin herunterkühlt. Diese Kälte erfüllt zwei Aufgaben zugleich: Zum einen frieren an den eiskalten Oberflächen nahezu alle restlichen Gasatome fest, sodass ein fast perfektes Vakuum entsteht. Zum anderen verschwindet nahezu die gesamte Wärmestrahlung, die das Teilchen sonst ständig auf höhere Energiestufen anregen würde.

Der Weg in die Falle ist trickreich. Die Positronen durchqueren zunächst ein zehn Mikrometer dünnes Titanfenster und werden dann in einem Einkristall aus Wolfram abgebremst. Viele gehen dabei verloren. Einige sehr langsame Positronen treten jedoch an der Rückseite wieder aus und schnappen sich dort ein Elektron. Das neutrale Paar, ein lose gebundenes Positronium, fliegt entlang der Magnetfeldlinien durch ein nur 0,64 Millimeter großes Loch in die Falle.

Ein einzelner Ladevorgang dauert acht bis elf Stunden, doch das fällt kaum ins Gewicht, denn nach Angaben der Forscher hält die Falle ein Positron über Monate. Um das Teilchen gezielt anzuregen, strahlen die Forscher Mikrowellen mit einer Frequenz von etwa 156 Gigahertz in die Falle ein.

Trifft die Frequenz genau den Abstand zweier Energiestufen, springt das Positron eine Stufe höher. Sichtbar wird das über einen Kunstgriff: Zwei Nickelringe um die Falle verbiegen das Magnetfeld minimal, sodass sich die Auf-und-ab-Schwingung des Teilchens bei jedem Quantensprung um rund 3,8 Hertz verschiebt.

Dass die Sprünge überhaupt beobachtbar sind, verdankt das Team der Bauweise der Falle. Frei im Raum würde ein angeregtes Positron seine Energie bei diesem Magnetfeld schon nach etwa 83 Millisekunden als Strahlung abgeben. Die Elektroden bilden jedoch zugleich einen Mikrowellenresonator, der diese Abstrahlung unterdrückt. Dadurch blieb das Teilchen etwa vier Sekunden im angeregten Zustand, lange genug für eine Messung.

Dass die Sprünge überhaupt beobachtbar sind, verdankt das Team der Bauweise der Falle. Frei im Raum würde ein angeregtes Positron seine Energie bei diesem Magnetfeld schon nach etwa 83 Millisekunden als Strahlung abgeben. Die Elektroden bilden jedoch zugleich einen Mikrowellenresonator, der diese Abstrahlung unterdrückt. Dadurch blieb das Teilchen etwa vier Sekunden im angeregten Zustand, lange genug für eine Messung.

Der Aufwand dient einem grundlegenden Vergleich. Nach dem Standardmodell der Teilchenphysik sind Elektron und Positron exakte Spiegelbilder mit gleicher Masse und entgegengesetzter Ladung. Ihr magnetisches Moment, also die Stärke, mit der sie auf ein Magnetfeld reagieren, muss deshalb identisch sein.

Diese Gleichheit folgt aus der sogenannten CPT-Symmetrie, einer der Grundannahmen der modernen Physik. Mit einem einzelnen Elektron in einer vergleichbaren Falle konnte diese Größe bereits präzise gemessen werden. Eine entsprechende Messung am gefangenen Positron könnte den bisherigen Test dieser Symmetrie im Bereich der Elektronen und Positronen um mehr als das Dreißigfache verbessern.

"Wir kühlen es so stark ab, dass es sich in seinem quantenmechanischen Grundzustand befindet. Wir haben dieses sehr schnelle Positron tatsächlich dazu gebracht, an seinem Platz zu bleiben und sich monatelang ruhig zu verhalten," erklärt Prof. Gerald Gabrielse.

Die Forscher hoffen darauf, hier auf einen winzigen Unterschied zum Elektron zu stoßen. Sollte sich das magnetische Moment des Positrons als ungleich erweisen, wäre dies die größte Entdeckung in der Physik der letzten hundert Jahre.