Kalte Antimaterie für quantenzustandsaufgelöste Präzisionsmessungen

Warum gibt es im Universum Materie, aber (praktisch) keine Antimaterie? Dem internationalen Forschungsverbund BASE an der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) in Genf unter Leitung von Professor Dr. Stefan Ulmer von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) ist hierzu ein experimenteller Durchbruch gelungen.

Es kann dazu beitragen, die Masse und das magnetische Moment von Antiprotonen präziser zu messen als je zuvor – und so mögliche Materie-Antimaterie-Asymmetrien zu identifizieren. BASE hat eine Falle entwickelt, die einzelne Antiprotonen viel schneller abkühlen kann als bisher, wie die Forscher erklären In Briefe zur körperlichen Überprüfung.

Nach dem Urknall vor mehr als 13 Milliarden Jahren war das Universum voller hochenergetischer Strahlung, die ständig Paare aus Materie- und Antimaterieteilchen wie Protonen und Antiprotonen erzeugte.

Bei der Kollision eines solchen Paares werden die Teilchen vernichtet und wieder in reine Energie umgewandelt. Insgesamt müssten also exakt gleiche Mengen an Materie und Antimaterie erzeugt und wieder vernichtet werden, das Universum müsste also weitgehend materielos sein.

Es besteht jedoch offensichtlich ein Ungleichgewicht – eine Asymmetrie –, denn es gibt tatsächlich materielle Objekte. Es wurde eine verschwindend geringe Menge mehr Materie als Antimaterie erzeugt – was dem Standardmodell der Teilchenphysik widerspricht. Physiker versuchen daher seit Jahrzehnten, das Standardmodell zu erweitern. Dazu benötigen sie auch hochpräzise Messungen fundamentaler physikalischer Parameter.

Hier setzt die BASE-Kollaboration („Baryon Antibaryon Symmetry Experiment“) an. Beteiligt sind die Universitäten in Düsseldorf, Hannover, Heidelberg, Mainz und Tokio, die Eidgenössische Technische Hochschule Zürich sowie die Forschungseinrichtungen CERN in Genf, GSI Helmholtz-Zentrum Darmstadt, Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg, die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig und RIKEN in Wako/Japan.

„Die zentrale Frage, der wir nachgehen, lautet: Sind Materieteilchen und ihre korrespondierenden Antimaterieteilchen exakt gleich schwer und besitzen sie exakt dieselben magnetischen Momente oder gibt es da winzige Unterschiede?“, erklärt Professor Stefan Ulmer, Sprecher von BASE. Er ist Professor am Institut für Experimentalphysik der HHU und forscht auch am CERN und RIKEN.

Die Physiker wollen für einzelne, ultrakalte und damit extrem niederenergetische Antiprotonen den sogenannten Spin-Flip – Quantenübergänge des Protonenspins – mit extrem hoher Auflösung messen, also die Änderung der Orientierung des Spins des Protons.

„Aus den gemessenen Übergangsfrequenzen können wir unter anderem das magnetische Moment der Antiprotonen bestimmen – sozusagen ihrer winzigen inneren Stabmagnete“, erklärt Ulmer. Und ergänzt: „Ziel ist es, mit bisher unerreichter Genauigkeit zu sehen, ob diese Stabmagnete in Protonen und Antiprotonen gleich stark sind.“

Einzelne Antiprotonen so für die Messungen zu präparieren, dass derartige Genauigkeiten erreicht werden, ist eine extrem zeitaufwändige experimentelle Aufgabe. Die BASE-Kollaboration ist hier nun einen entscheidenden Schritt weitergekommen.

Dr. Barbara Maria Latacz vom CERN und Erstautorin der Studie sagt: „Wir brauchen Antiprotonen mit einer maximalen Temperatur von 200 mK, also extrem kalte Teilchen. Nur so können wir zwischen verschiedenen Spin-Quantenzuständen unterscheiden. Mit bisherigen Techniken dauerte es 15 Stunden, um Antiprotonen, die wir aus dem Beschleunigerkomplex des CERN beziehen, auf diese Temperatur abzukühlen. Unsere neue Kühlmethode verkürzt diese Zeit auf acht Minuten.“

Dies gelang den Forschern, indem sie zwei sogenannte Penningfallen zu einem einzigen Gerät kombinierten, einer „Maxwell’s Daemon Cooling Double Trap“. Diese Falle ermöglicht es, gezielt nur die kältesten Antiprotonen zu präparieren und für die anschließende Spin-Flip-Messung zu verwenden; wärmere Teilchen werden verworfen. Damit entfällt die Zeit, die zum Abkühlen der wärmeren Antiprotonen nötig ist.

Durch die deutlich kürzere Abkühlzeit werden die erforderlichen Messstatistiken in deutlich kürzerer Zeit erreicht, so dass die Messunsicherheiten weiter reduziert werden können.

Latacz: „Wir brauchen mindestens 1.000 einzelne Messzyklen. Mit unserer neuen Falle brauchen wir dafür eine Messzeit von etwa einem Monat – zum Vergleich: Mit der alten Technik wären das fast zehn Jahre, was experimentell nicht zu realisieren wäre.“

Ulmer: „Mit der BASE-Falle konnten wir bereits messen, dass sich die magnetischen Momente von Protonen und Antiprotonen um maximal ein Milliardstel unterscheiden – wir sprechen hier von 10-9. Damit konnten wir die Fehlerrate der Spinidentifikation um mehr als den Faktor 1.000 verbessern. In der nächsten Messkampagne hoffen wir, die Genauigkeit der magnetischen Momente auf 10-10 zu steigern.“

Professor Ulmer: „Wir wollen eine mobile Teilchenfalle konstruieren, mit der wir am CERN in Genf erzeugte Antiprotonen in ein neues Labor an der HHU transportieren können. Dieses ist so aufgebaut, dass wir hoffen können, die Genauigkeit der Messungen noch einmal um mindestens einen Faktor 10 zu verbessern.“

Fallen für Elementarteilchen

Fallen können einzelne elektrisch geladene Elementarteilchen, deren Antiteilchen oder auch Atomkerne mittels magnetischer und elektrischer Felder über längere Zeit speichern. Speicherzeiträume von über zehn Jahren sind möglich. In den Fallen können dann gezielte Teilchenmessungen durchgeführt werden.

Es gibt zwei grundsätzliche Bauarten: Sogenannte Paulfallen (entwickelt vom deutschen Physiker Wolfgang Paul in den 1950er Jahren) nutzen alternierende elektrische Felder, um Teilchen festzuhalten. Die von Hans G. Dehmelt entwickelten „Penningfallen“ nutzen ein homogenes Magnetfeld und ein elektrostatisches Quadrupolfeld. Beide Physiker erhielten für ihre Entwicklungen 1989 den Nobelpreis.