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Links und Adressen
zum Thema:
CNRS
(Centre National de la recherche sciéntifique) http://www.cnrs.fr
http://www.cnrs.org
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Experiment:
Anti-Wasserstoff
Im Zentrum für Teilchenphysik
der Europäischen Organisation für Kernforschung in Genf (CERN) werden
die Weichen zur Erforschung der Antimaterie gestellt.
Michael Doser gehört zu dem
Team, das kürzlich eine Versuchsanordnung entwickelte, mit deren Hilfe
die Herstellung von Anti-Wasserstoff-Atomen möglich sein wird. Doch was
verbirgt sich hinter dem geheimnisvollen Begriff der Antimaterie, und
wie kann man diese kurzlebigen Atome einzufangen?
Michael Doser
Was ist Antimaterie? Am einfachsten kann man sich Antimaterie als ein
Stück elastischer Folie vorstellen. Wird diese zum Schwingen gebracht,
nimmt sie Energie auf und es bilden sich Vertiefungen und Erhebungen.
Die Vertiefungen entsprechen gewissermaßen der Antimaterie, die Erhebungen
der Materie. Dreht man diese Folie um, werden aus den Vertiefungen Erhebungen
und aus den Erhebungen Vertiefungen. Materie und Antimaterie sind zwei
unterschiedliche Blickwinkel auf dieselbe Sache. Die Antimaterie wurde
1932 entdeckt. Das erste gefundene Antiteilchen war das Gegenstück zum
negativ geladenen Elektron - das Positron. In den 50er Jahren entdeckte
man dann das Pendant zum positiv geladenen und mit dem Buchstaben P symbolisierten
Proton - das Antiproton, dargestellt durch ein P mit einem Querbalken.
Und 1995 schließlich fand man das Antiteilchen des aus Protonen und Elektronen
bestehenden - somit also neutralen - Wasserstoffatoms: das neutrale
Anti-Wasserstoff-Atom, bestehend aus einem Antiproton und einem Positron.
Seit der Entdeckung der Antimaterie
interessieren sich die Physiker für die Unterschiede zwischen Materie
und Antimaterie. Theoretisch besteht ein solcher Unterschied nicht. Im
Experiment hingegen kann man untersuchen, ob hinsichtlich der Ladung,
der Masse oder des Verhaltens in einem elektrischen oder magnetischen
Feld Abweichungen feststellbar sind. Um solche Differenzen zu erfassen,
ist das Anti-Wasserstoff-Atom wegen seiner empfindlichen Reaktion am besten
geeignet. Leider hat man mit den neu entdeckten Atomen, die 1995 hergestellt
werden konnten, keine vernünftigen Messungen in bezug auf mögliche Unterschiede
durchführen können. Insbesondere deswegen, weil sich die Anti-Wasserstoff-Atome
praktisch mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegten. Um aber solch empfindliche
Messungen machen zu können, muss man mit Atomen arbeiten, die mehr oder
weniger bewegungslos verharren. Eigentlich gemessen werden sollen die
Unterschiede zwischen Anti-Wasserstoff und Wasserstoff hinsichtlich des
Lichts, das sie aussenden.
Michael Doser
Um ein solches Experiment durchführen zu können, haben wir eine kombinierte
Versuchsanordnung namens ATHENA geschaffen, mit deren Hilfe wir Anti-Wasserstoff
herstellen, seine Strahlung messen und mit der von Wasserstoff vergleichen
können. Bei der Herstellung von Anti-Wasserstoff sind mehrere Phasen zu
durchlaufen: Zunächst müssen die Antiprotonen erzeugt werden, danach die
Positronen, dann werden sie zusammengebracht, damit sich aus ihnen ein
Anti-Wasserstoff-Atom bilden kann. Nun muss man dieses Atom einfangen,
abkühlen und schließlich das von ihm ausgesendete Licht messen. Zum Einfangen
der Antiprotonen verwenden wir eine Falle, die auf dem Prinzip basiert,
dass sich gleiche Ladungen abstoßen und ungleiche Ladungen anziehen. Die
Antiprotonen gelangen in die Apparatur und treffen dort auf eine Reihe
von zylindrischen Elektroden - Metallarmbändern ähnlich. An die hintere
Elektorde wird eine Spannung von minus 15.000 Volt angelegt. Die negativ
geladenen Antiprotonen treffen auf dieses Potential, werden abgestoßen
und machen kehrt. Das ist in etwa mit einer Kugel vergleichbar, die auf
ihrem Weg gegen einen Berg trifft; anfangs rollt die Kugel ungehindert
weiter, genauso wie das Antiproton, trifft dann aber auf einen Berg, so
wie das Antiproton auf das negative Potential stößt, das in gewisser Weise
einen virtuellen Berg darstellt. Es erklimmt diesen Berg, wird langsamer
und rollt zurück. Genau in diesem Augenblick, an dem die Kugel, beziehungsweise
das Antiproton in den Elektroden seinen Rückweg antritt, wird an die vordere
Elektrode eine Spannung von minus 15.000 Volt angelegt. Das ist so ähnlich,
als würde sich ein Berg erheben. Die Kugel rollt bis zu diesem Punkt,
trifft auf den zweiten, wiederum virtuellen Berg, wird langsamer, bleibt
liegen und macht kehrt.
Übertragen auf das
Antiproton, trifft dieses auf das negative Potential - den virtuellen
Berg - prallt zurück, stößt danach auf diesen virtuellen Berg auf der
anderen Seite, prallt erneut ab und befindet sich in einer Falle. Das
Antiproton kann nicht mehr heraus.
Im Gegensatz zu einer Kugel, die zwischen zwei Bergen hin- und herrollt
und deren Geschwindigkeit infolge der auftretenden Reibung abnimmt, verlieren
die Antiprotonen keine Energie. Im Bereich der Elementarteilchen gibt
es keine Reibung; das Antiproton würde unendlich lange zwischen den Polen
oszillieren. Damit es nun ein wenig Energie verliert - zur Verringerung
seiner Geschwindigkeit - lassen wir in der Falle einen See entstehen,
das heißt, wir füllen ihn mit einer Elektronenwolke. Dieser See nimmt
die Temperatur des Magnetes an, in der sich die gesamte Falle befindet,
nämlich minus 269 Grad Celsius. Die Antiprotonen durchqueren diesen See,
wenn sie sich zwischen den Elektroden hin- und herbewegen und treten mit
den Elektronen in eine Interaktion. Die Antiprotonen sind viel schwerer
als die Elektronen und verlieren bei jedem Durchqueren des Sees ein ganz
klein wenig Energie. Allmählich - nach einer Millionen Schwingungen -
haben sie genügend Energie abgegeben und sich auf die Temperatur der Elektronen
abgekühlt, nämlich auf 4 Grad Kelvin oder minus 269 Grad Celsius. Damit
haben wir die Antiprotonen eingefangen und auf eine sehr, sehr niedrige
Temperatur gebracht.
Das zweite Element zur Herstellung
von Anti-Wasserstoff sind die Positronen. Sie entstehen beim radioaktiven
Zerfall von Salzen, von Natrium in erster Linie. Wir bringen an einer
Vorrichtung eine relativ starke radioaktive Quelle aus Natrium zur Aussendung
von Positronen an, die danach mit Hilfe einer Anordnung von Magneten eingefangen
und heruntergekühlt werden. Die Vorrichtung ist ähnlich aufgebaut wie
die zum Einfangen der Antiprotonen. Die beiden Fallen sind zu beiden Seiten
einer "Hauptfalle" angeordnet, in der später die Anti-Wasserstoff-Atome
erzeugt werden sollen.
Michael Doser
Die Hauptfalle ist ein wenig komplexer aufgebaut. Die Antiprotonen werden
von negativ geladenen Elektrodenwänden abgefangen, denn sie selbst sind
negativ geladen. Die Positronen prallen auf positiv geladene Barrieren,
weil sie selbst auch positiv geladen sind. Um beide Teilchen mit derselben
Falle einfangen zu können, muss man eine Kombination aus beiden Fallen
konstruieren. Das geschieht mit Hilfe von fünf Elektroden. Drei Elektroden
in der Mitte sind für die Positronen zuständig, die beiden äußeren für
die Antiprotonen. Dazu wird eine Spannung von plus 20 Volt an diese zwei
Elektroden angelegt; die mittlere liegt auf 0 Volt. Die Positronen, die
sich in diesem Bereich befinden, werden durch die positive Ladung an diesen
beiden Elektroden abgestoßen, wobei ihre Bewegungsfreiheit auf dieses
Gebiet hier begrenzt wird. Wenn wir für die Positronen wieder eine Analogie
zu unserem Bergmodell herstellen wollen, kann man sagen, sie befinden
sich in einer Talsole. Zum Einfangen der Antiprotonen wird an die beiden
äußeren Elektroden eine Spannung von minus 50 Volt angelegt, das reicht
in diesem Falle, denn die Antiprotonen sind ja im Vorfeld heruntergekühlt
worden. Analog zu unserer Bergwelt besteht unsere Landschaft nun aus einem
Berg, einem Tal, einem Berg, einem Tal und wieder einem Berg. Die Antiprotonen
können sich innerhalb der gesamten Landschaft bewegen, die Positronen
hingegen sind auf den mittleren Teil begrenzt. In diesem Bereich hier
entsteht somit eine Positronenwolke, wohingegen sich die Antiprotonen
über dieses gesamte Gebiete verbreiten. Die Antiprotonen bewegen sich
also zwischen den beiden Elektroden hin und her und durchqueren dabei
die Positronenwolke.
Mit dieser Vorrichtung ist
es nun möglich, Anti-Wasserstoff herzustellen. Man lässt die Antiprotonen
und die Positronen im Bereich der mittleren Elektrode in eine Interaktion
treten; dabei entsteht der Anti-Wasserstoff. Die geladenen Teilchen -
die Antiprotonen und die Positronen - werden einem elektrischen Feld ausgesetzt,
das über die angelegte Spannung an den Elektroden entsteht. Das Anti-Wasserstoff-Atom
ist zum Zeitpunkt seiner Entstehung neutral und unterliegt daher weder
den Einflüssen des elektrischen noch des magnetischen Feldes, das wir
erzeugen. Dieses Atom ist frei beweglich und wird irgendwann an die Innenwand
einer der Elektroden stoßen. Da sich Antimaterie und Materie gegenseitig
aufheben, zerfällt das Anti-Wasserstoff-Atom sofort, wenn es mit den Elektroden
in Berührung kommt. Dieser Kontakt, diese Zerstörung dient uns überhaupt
als Beweis, daß wir wirklich Anti-Wasserstoff erzeugt haben.
Die Wahrscheinlichkeit, ein Anti-Wasserstoff-Atom herzustellen, ist äußerst
gering. Mit einer Milliarde Positronen und einer Million Antiprotonen
erzeugt man etwa ein Anti-Wasserstoff-Atom pro Sekunde. Man muss sich
daher vergewissern, dass die sichtbaren Zeichen, die auf eine Zerstörung
des Anti-Wasserstoffs hindeuten, wirklich auf den Zerfall der Antimaterie
zurückgehen. Zu diesem Zweck legen wir einen Teilchendetektor um unsere
Anordnung zur Anti-Wasserstoff-Erzeugung. Wenn der Anti-Wasserstoff beim
Kontakt mit einem Atom aus der Elektrode zerfällt, entstehen geladene
Teilchen, die in alle Richtungen gesprengt werden und den Detektor durchdringen.
Diese Vorrichtung besteht aus mehreren Schichten Siliziumdetektoren, die
ein Signal aussenden, eine Ladung abgeben, wenn sie von einem Teilchen
durchdrungen werden. Außen befinden sich mehrere Kristalle, die beim Auftreffen
eines solchen Teilchens Licht aussenden. Indem wir die Lichtsignale der
Kristalle mit den Ladungszuständen der Siliziumdetektoren in Verbindung
bringen, können wir den Weg des Teilchen zurückverfolgen und den genauen
Ort ermitteln, an dem das Anti-Wasserstoff-Atom zerfallen ist. Damit ist
es möglich, solche Signale von anderen sichtbaren Zeichen zu unterscheiden.
Dies aber ist nur die erste Phase des Experimentes. Unser eigentliches
Ziel ist, das Anti-Wasserstoff-Atom einzufangen.
Wie ich schon sagte, ist der
Anti-Wasserstoff neutral und kann nicht mit Hilfe eines elektrischen Feldes
eingefangen werden. Dennoch besteht er aus einem Antiproton und einem
Positron, das um das Antiproton kreist. Dieses Positron ist von seiner
Natur her ein kleiner Magnet. Mit einem zusätzlichen Magnetfeld kann man
nun versuchen, das Positron zu fassen und mit ihm das Antiproton. Auf
diese Weise ist man nun in der Lage, ein Anti-Wasserstoff-Atom einzufangen.
Das Antiproton ist 2000 Mal schwerer als das Positron. Daher muss die
gesamte Einheit sehr, sehr stark heruntergekühlt werden oder sich extrem
langsam bewegen, damit das Experiment gelingen kann. Dennoch gibt es Magnetfelder,
die ein solches Vorgehen möglich machen und uns in die Lage versetzen,
ein Anti-Wasserstoff-Atom einzufangen. Danach muss man das Atom herunterkühlen,
mehrere davon in einer kleinen Wolke zusammenfassen und einen Laserstrahl
auf diese Atomanordnung richten. Wenn das Laserlicht korrekt eingestellt
ist, wird jedes einzelne Atom angeregt und sendet ein wenig später - wenn
die Erregung abklingt - Licht aus. Dieses Licht ist tiefblau und kann
nun mit der Strahlung verglichen werden, die ein Wasserstoffatom unter
den gleichen Bedingungen aussendet. Den Unterschied, den wir bei diesen
Messungen zwischen dem Anti-Wasserstoff und dem Wasserstoff erwarten,
liegt in einem astronomisch kleinen Bereich. Die Genauigkeit, die wir
dabei erreichen müssen, ist mit dem Gewichtsunterschied eines Jumbo-Jets
vergleichbar, auf dem eine Ameise sitzt oder nicht.
Um ein endgültiges Fazit hinsichtlich
der möglichen Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie ziehen zu
können, sind noch vier oder fünf Jahre intensiver Forschung nötig, an
der sich etwa 30 Physiker aus allen möglichen Forschungsbereichen beteiligen:
Laserspezialisten, Wissenschaftler zur Konstruktion von Elektronenfallen
und Hochenergiephysiker werden interdisziplinär arbeiten, um dieses Ziel
zu erreichen.
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