Antimaterie mag wie etwas aus der Science-Fiction klingen, aber am CERN Antiproton Decelerator (AD) produzieren und fangen Wissenschaftler jeden Tag Antiprotonen ein. Das BASE-Experiment kann sie sogar für mehr als ein Jahr eindämmen – eine beeindruckende Leistung, wenn man bedenkt, dass Antimaterie und Materie bei Kontakt vernichten.
Die AD-Halle des CERN ist der einzige Ort auf der Welt, an dem Wissenschaftler Antiprotonen lagern und untersuchen können. Doch das wollen die Wissenschaftler des BASE-Experiments eines Tages mit ihrem Teilprojekt BASE-STEP ändern: einem Apparat zur Speicherung und zum Transport von Antimaterie.
Zuletzt gelang dem Team aus Wissenschaftlern und Ingenieuren ein wichtiger Schritt in Richtung dieses Ziels, indem es eine Wolke aus 70 Protonen in einem Lastwagen über das Hauptgelände des CERN transportierte.
„Wenn man es mit Protonen machen kann, wird es auch mit Antiprotonen funktionieren“, sagte Christian Smorra, der Leiter von BASE-STEP. „Der einzige Unterschied besteht darin, dass man für die Antiprotonen eine viel bessere Vakuumkammer braucht.“
Dies ist das erste Mal, dass lose Partikel in einer wiederverwendbaren Falle transportiert werden, die Wissenschaftler dann an einem neuen Ort öffnen und den Inhalt dann in ein anderes Experiment übertragen können. Das Endziel besteht darin, einen Antiprotonen-Lieferdienst vom CERN zu Experimenten in anderen Labors zu schaffen.
Antimaterie ist eine natürlich vorkommende Klasse von Teilchen, die mit gewöhnlicher Materie fast identisch ist, außer dass die Ladungen und magnetischen Eigenschaften umgekehrt sind. Dies gibt Wissenschaftlern seit Jahrzehnten Rätsel auf, denn nach den Gesetzen der Physik hätte der Urknall gleiche Mengen an Materie und Antimaterie produzieren müssen. Diese gleichen, aber gegensätzlichen Teilchen hätten sich schnell gegenseitig vernichtet und ein brodelndes, aber leeres Universum hinterlassen. Physiker vermuten, dass es versteckte Unterschiede gibt, die erklären können, warum Materie überlebt hat und Antimaterie so gut wie verschwunden ist.
Ziel des BASE-Experiments ist es, diese Frage zu beantworten, indem es die Eigenschaften von Antiprotonen, etwa ihr intrinsisches magnetisches Moment, genau misst und diese Messungen dann mit denen von Protonen vergleicht. Allerdings ist die Präzision, die das Experiment erreichen kann, durch seinen Standort begrenzt.
„Die Beschleunigeranlage in der AD-Halle erzeugt Magnetfeldschwankungen, die die Möglichkeiten unserer Präzisionsmessungen einschränken“, sagte BASE-Sprecher Stefan Ulmer. „Wenn wir ein noch tieferes Verständnis der grundlegenden Eigenschaften von Antiprotonen erlangen wollen, müssen wir ausziehen.“
Hier kommt BASE-STEP ins Spiel. Ziel ist es, Antiprotonen einzufangen und sie dann in eine Einrichtung zu übertragen, wo Wissenschaftler sie genauer untersuchen können. Dazu benötigen sie ein Gerät, das klein genug ist, um auf einen LKW verladen zu werden, und den Stößen und Vibrationen standhält, die beim Landtransport unvermeidlich sind.
Die aktuelle Apparatur – zu der ein supraleitender Magnet, kryogene Kühlung, Energiereserven und eine Vakuumkammer gehören, die die Partikel mithilfe magnetischer und elektrischer Felder einfängt – wiegt 1.000 Kilogramm und muss mit zwei Kränen aus der Experimentierhalle auf den LKW gehoben werden. Obwohl es eine Tonne wiegt, ist BASE-STEP viel kompakter als jedes bestehende System zur Erforschung von Antimaterie. Es hat beispielsweise eine fünfmal kleinere Grundfläche als das ursprüngliche BASE-Experiment, da es schmal genug sein muss, um durch normale Labortüren zu passen.
Während der Probe nutzten die Wissenschaftler gefangene Protonen als Ersatz für Antiprotonen. Protonen sind ein wichtiger Bestandteil jedes Atoms, der einfachste davon ist Wasserstoff (ein Proton und ein Elektron). Protonen als lose Teilchen zu speichern und sie dann auf einen Lastwagen zu transportieren, ist jedoch eine Herausforderung, da jede noch so kleine Störung die ungebundenen Protonen wieder anzieht ein Atomkern.
„Beim Transport auf der Straße ist unser Fallensystem Beschleunigungen und Vibrationen ausgesetzt, und Laborexperimente sind normalerweise nicht darauf ausgelegt“, sagte Smorra. „Wir mussten ein Fallensystem bauen, das robust genug ist, um diesen Kräften standzuhalten, und das haben wir nun erstmals einem echten Test unterzogen.“
Allerdings stellte Smorra fest, dass die größte potenzielle Hürde derzeit nicht die Unebenheiten der Straße, sondern Staus seien.
„Wenn der Transport zu lange dauert, geht uns irgendwann das Helium aus“, sagte er. Flüssiges Helium hält den supraleitenden Magneten der Falle auf einer Temperatur unter 8,2 Kelvin: seiner maximalen Betriebstemperatur. Dauert der Antrieb zu lange, geht das Magnetfeld verloren und die eingefangenen Teilchen werden freigesetzt und verschwinden, sobald sie gewöhnliche Materie berühren.
„Irgendwann wollen wir in der Lage sein, Antimaterie zu unseren speziellen Präzisionslaboren an der Heinrich-Heine-Universität in Düsseldorf zu transportieren, wo wir Antimaterie mit mindestens 100-fach höherer Präzision untersuchen können“, sagte Smorra. „Langfristig wollen wir es zu jedem Labor in Europa transportieren. Das bedeutet, dass wir einen Stromgenerator auf dem LKW haben müssen. Diese Möglichkeit prüfen wir derzeit.“
Nach diesem erfolgreichen Test, der umfassende Überwachung und Datenerfassung umfasste, plant das Team, sein Verfahren zu verfeinern, mit dem Ziel, im nächsten Jahr Antimaterie zu transportieren.
„Dies ist eine völlig neue Technologie, die die Tür für neue Studienmöglichkeiten öffnet, nicht nur mit Antiprotonen, sondern auch mit anderen exotischen Teilchen, wie zum Beispiel ultrahochgeladenen Ionen“, sagte Ulmer.
Ein weiteres Experiment, PUMA, bereitet eine transportable Falle vor. Nächstes Jahr sollen Antiprotonen 600 Meter von der ADH-Halle zur ISOLDE-Anlage des CERN transportiert werden, um damit die Eigenschaften und Struktur exotischer Atomkerne zu untersuchen.