Bisher schwerste Antimaterie-Beobachtung wird Zahlen für die Suche nach dunkler Materie verfeinern

Ein internationales Physikerteam hat bei Experimenten im Brookhaven National Laboratory in den USA die schwersten jemals beobachteten „Anti-Atomkerne“ nachgewiesen. Die winzigen, kurzlebigen Objekte bestehen aus exotischen Antimaterieteilchen.

Die Messungen der Häufigkeit und der Eigenschaften dieser Entitäten bestätigen unser derzeitiges Verständnis der Natur der Antimaterie und werden bei der Suche nach einer anderen mysteriösen Teilchenart – der dunklen Materie – im Weltraum hilfreich sein.

Die Ergebnisse waren veröffentlicht 21. August in Natur.

Eine fehlende Spiegelwelt

Die Idee der Antimaterie ist weniger als ein Jahrhundert alt. 1928 entwickelte der britische Physiker Paul Dirac eine sehr genaue Theorie über das Verhalten von Elektronen, die eine beunruhigende Vorhersage machte: die Existenz von Elektronen mit negativer Energie, die das stabile Universum, in dem wir leben, unmöglich gemacht hätte.

Glücklicherweise fanden Wissenschaftler eine alternative Erklärung für diese „negativen Energiezustände“: Antielektronen oder Zwillinge der Elektronen mit entgegengesetzter elektrischer Ladung. Antielektronen wurden 1932 in Experimenten entdeckt, und seither haben Wissenschaftler herausgefunden, dass alle Elementarteilchen ihre eigenen Antimaterie-Äquivalente haben.

Dies wirft jedoch eine andere Frage auf. Antielektronen, Antiprotonen und Antineutronen sollten sich zu ganzen Antiatomen und sogar Antiplaneten und Antigalaxien verbinden können. Darüber hinaus legen unsere Theorien über den Urknall nahe, dass zu Beginn des Universums gleiche Mengen an Materie und Antimaterie entstanden sein müssen.

Doch wohin wir auch blicken, wir sehen Materie – und nur unbedeutende Mengen Antimaterie. Wo ist die Antimaterie geblieben? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler seit fast einem Jahrhundert.

Fragmente zertrümmerter Atome

Die heutigen Ergebnisse stammen aus der STAR-Experimentgelegen am Relativistischer Schwerionenbeschleuniger am Brookhaven National Lab in den USA.

Das Experiment funktioniert, indem die Kerne schwerer Elemente wie Uran mit extrem hoher Geschwindigkeit aufeinanderprallen. Diese Kollisionen erzeugen winzige, intensive Feuerbälle, die kurzzeitig die Bedingungen des Universums in den ersten Millisekunden nach dem Urknall nachbilden.

Bei jeder Kollision entstehen Hunderte neuer Teilchen, und das STAR-Experiment kann sie alle nachweisen. Die meisten dieser Teilchen sind kurzlebige, instabile Einheiten, die sogenannten Pionen, aber hin und wieder taucht auch etwas Interessanteres auf.

Im STAR-Detektor rasen Teilchen durch einen großen Behälter voller Gas in einem Magnetfeld – und hinterlassen sichtbare Spuren. Indem sie die „Dicke“ der Spuren messen und wie stark sie sich im Magnetfeld biegen, können Wissenschaftler herausfinden, welche Art von Teilchen sie erzeugt hat.

Materie und Antimaterie sind entgegengesetzte geladen, sodass ihre Bahnen im Magnetfeld in entgegengesetzte Richtungen verlaufen.

„Antihyperwasserstoff“

In der Natur bestehen die Atomkerne aus Protonen und Neutronen. Wir können jedoch auch etwas namens „Hypernukleus“ erzeugen, bei dem eines der Neutronen durch ein Hyperon ersetzt wird – eine etwas schwerere Version des Neutrons.

Was sie beim STAR-Experiment entdeckten, war ein Hypernukleus aus Antimaterie, ein sogenannter Antihypernukleus. Tatsächlich war es der schwerste und exotischste Antimateriekern, der je beobachtet wurde.

Genauer gesagt besteht es aus einem Antiproton, zwei Antineutronen und einem Antihyperon und trägt den Namen Antihyperwasserstoff-4. Unter den Milliarden produzierter Pionen identifizierten die STAR-Forscher nur 16 Antihyperwasserstoff-4-Kerne.

Ergebnisse bestätigen Vorhersagen

Die neue Arbeit vergleicht diese neuen und schwersten Antikerne sowie eine Reihe anderer leichterer Antikerne mit ihren Gegenstücken in normaler Materie. Die Hyperkerne sind alle instabil und zerfallen nach etwa einer Zehntel Nanosekunde.

Beim Vergleich der Hyperkerne mit den entsprechenden Antihyperkernen stellen wir fest, dass sie die gleiche Lebensdauer und Masse haben – und das ist genau das, was wir aufgrund von Diracs Theorie erwarten würden.

Bestehende Theorien können auch gut vorhersagen, warum leichtere Antihyperkerne häufiger und schwerere seltener entstehen.

Auch eine Schattenwelt?

Antimaterie hat auch faszinierende Verbindungen zu einer anderen exotischen Substanz, der Dunklen Materie. Aus Beobachtungen wissen wir, dass Dunkle Materie das Universum durchdringt und fünfmal häufiger vorkommt als normale Materie – aber wir konnten sie nie direkt nachweisen.

Einige Theorien über dunkle Materie sagen voraus, dass zwei Teilchen dunkler Materie, wenn sie kollidieren, sich gegenseitig vernichten und einen Ausbruch von Materie- und Antimaterieteilchen erzeugen. Dies würde dann Antiwasserstoff und Antihelium erzeugen – und ein Experiment namens Alpha-Magnetspektrometer an Bord der Internationalen Raumstation hält danach Ausschau.

Wenn wir Antihelium im Weltraum beobachten würden, woher wüssten wir dann, ob es von dunkler oder normaler Materie erzeugt wurde? Nun, Messungen wie diese neue von STAR ermöglichen es uns, unsere theoretischen Modelle zu kalibrieren, die zeigen, wie viel Antimaterie bei Kollisionen normaler Materie erzeugt wird. Dieses neueste Papier bietet eine Fülle von Daten für diese Art der Kalibrierung.

Grundlegende Fragen bleiben

Im letzten Jahrhundert haben wir viel über Antimaterie gelernt. Einer Antwort auf die Frage, warum wir im Universum so wenig davon finden, sind wir jedoch noch immer nicht näher gekommen.

Das STAR-Experiment ist bei weitem nicht das einzige Experiment, das versucht, die Natur der Antimaterie und ihren Verbleib zu verstehen. Arbeiten an Experimenten wie LHCb Und Alice am Großer Hadronen-Speicherring in der Schweiz wird unser Verständnis erweitern, indem wir nach Anzeichen für Unterschiede im Verhalten von Materie und Antimaterie suchen.

Vielleicht werden wir bis zum Jahr 2032, wenn sich die Entdeckung der Antimaterie zum hundertsten Mal jährt, im Verständnis der Rolle dieser merkwürdigen Spiegelmaterie im Universum einige Fortschritte gemacht haben – und sogar wissen, wie sie mit dem Rätsel der dunklen Materie zusammenhängt.

Dieser Artikel wurde erneut veröffentlicht von Das Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz. Lesen Sie die Originalartikel.