Antiwasserstoff spektroskopisch untersucht

  • 19. December 2016

Mit hoher Präzision wurde dieselbe 1s-2s-Übergangsfrequenz wie für Wasserstoff gemessen.

Hat Anti­materie dieselben physi­kalischen Eigen­schaften wie Materie? Oder haben winzige Unter­schiede zwischen Teilchen und Anti­teilchen dazu geführt, dass es im Universum praktisch nur Materie gibt? Ein Präzisions­experiment mit Anti­wasser­stoff ist jetzt einer Antwort ein großes Stück näher gekommen.

Abb.: Aufbau des Alpha-2-Experiments. Antiprotonen und Positronen treffen und vereinigen sich in der Falle, die die entstehenden Antiwasserstoffatome mit elektrischen und magnetischen Feldern festhält. Ein Laserstrahl durchquert die Falle und regt die Antiatome an. (Bild: Alpha-2 / CERN)

Abb.: Aufbau des Alpha-2-Experiments. Antiprotonen und Positronen treffen und vereinigen sich in der Falle, die die entstehenden Antiwasserstoffatome mit elektrischen und magnetischen Feldern festhält. Ein Laserstrahl durchquert die Falle und regt die Antiatome an. (Bild: Alpha-2 / CERN)

Beim inter­nationalen Alpha-Experiment am CERN werden Anti­wasserstoff­atome erzeugt und eingehend untersucht. Die dafür nötigen Anti­protonen entstehen durch Paar­erzeugung. Nachdem sie stark abgebremst wurden, bringt man sie in einer Penning-Falle mit Posi­tronen zusammen. Fängt ein Antiproton ein Positron ein, so entsteht ein Anti­wasserstoff­atom, das von den elek­trischen und magne­tischen Feldern der Falle fest­gehalten wird.

Im Laufe der Jahre haben die Alpha-Forscher ihr Experiment stark verbessert, sodass sie jetzt bei jedem experi­mentellen Durchgang etwa 25.000 Anti­wasserstoff­atome produzieren. Antiatome mit einer kine­tischen Energie von weniger als 0,5 K bleiben in der Falle gefangen. Im Mittel sind das pro Durchgang 14, verglichen mit 1,2 vor einem Jahr. Da die Anti­atome mindesten 1000 Sekunden in der Falle verbleiben, kann man mit ihnen spektro­skopische Präzisions­messungen durchführen, wie man sie mit Wasser­stoff­atomen gemacht hat.

Jeff Hangst und seine Kollegen vom Alpha-Expe­riment haben für Anti­wasserstoff die Frequenz des 1s-2s-Übergangs mit bisher uner­reichter Präzision gemessen. Das Ergebnis stimmt mit einer relativen Genauig­keit von etwa 4×10-10 mit der ent­sprechenden Übergangs­frequenz des Wasser­stoff­atoms über­einstimmt, die von Hänsch und seinen Mitar­beitern mit einer Genauig­keit von etwa 10-15 gemessen worden war. Dabei konnten die Forscher allerdings auf eine wesent­lich größere Zahl von Atomen zurück­greifen.

Der 1s-2s-Übergang hat eine sehr lange Lebens­dauer von etwa 1/8 s. Deshalb ist seine Übergangs­frequenz, die bei 2,5×1015 Hz liegt, sehr scharf und auf wenige Hertz genau definiert. Mit einem ein Tesla starken Magnet­feld haben die Forscher die Hyper­fein­struktur des 1s- und des 2s-Niveaus aufgelöst. Da sich der Spin des Positrons und der Kernspin des Anti­protons jeweils parallel oder anti­parallel zum Magnetfeld ausrichten konnten, gab es insgesamt für jeden der beiden Zustände vier ver­schiedene Hyper­fein­zustände, die sich durch ihre Energie und ihr Verhalten im Magnet­feld von­einander unter­schieden.

Zeigte der Positron­spin gegen die Feld­richtung, so nahm die Energie des Antiatoms mit der Feldstärke zu unab­hängig von der Kernspin­richtung. In diesem Fall wich das Antiatom dem starken Feld aus und wurde in der Falle festhalten. Zeigte der Positron­spin hingegen in Feldrichtung – wobei die Kernspin­richtung wieder uner­heblich war –, so wurde das Antiatom in das starke Feld hinein­gezogen und konnte aus der Falle ent­weichen.

Mit zwei Laser­strahlen von 243 nm Wellenlänge, die die Falle gegen­läufig durch­querten, wurden die in der Falle fest­gehaltenen Anti­wasserstoff­atome durch Zwei-Photonen-Prozesse zum Übergang vom 1s- zum 2s-Zustand angeregt. An der Resonanz­frequenz wurden besonders viele Antiatome in den festge­haltenen Hyper­fein­zustand des 2s-Zustands befördert, aus dem sie dann jedoch durch Ein-Photon-Prozesse entweder ionisiert oder durch Umdrehen des Positron­spins in einen nicht festge­haltenen Hyperfein­zustand gebracht werden konnten. In beiden Fällen entwichen sie aus der Falle und verrieten sich durch sofortige Anni­hilierung mit Wasserstoff­atomen. Nach einer Wartezeit von 600 Sekunden schalteten die Forscher die Falle ab und stellten wiederum anhand der erfolgenden Annihi­lierung fest, wie viele Antiatome noch in ihr vorhanden gewesen waren.

Sodann verrin­gerten die Forscher die Frequenz der Laser­photonen um 200 kHz und über­prüften erneut, wie viele Anti­atome in der Falle verblieben oder durch Ionisierung und Spinflip aus ihr entwichen waren. Vom 1s-2s-Übergang des Wasser­stoffatoms her erwarteten sie, dass jetzt auch beim Anti­wasser­stoffatom keine Resonanz mehr auftreten sollte. Deshalb konnten auch praktisch keine Antiatome mehr in den 2s-Zustand gelangen, aus dem sie dann durch Ioni­sation oder Spinflip verloren gingen. Somit sollten nun fast alle Anti­atome in der Falle verbleiben. Die experi­mentellen Ergebnisse bestä­tigten diese Vorher­sagen völlig.

Damit haben die Forscher für den 1s-2s-Übergang gezeigt, dass Wasser­stoff- und Antiwasser­stoffatome mit einer relativen Genauig­keit von 4×10-10 dieselbe Anregungs­frequenz haben. Die CPT-Inva­rianz, die der Symmetrie zwischen Materie und Anti­materie zugrunde liegt, ist demnach mit einer Genauig­keit von 2×10-10 erfüllt. Als nächstes wollen Hangst und seine Kollegen das komplette Linien­profil des 1s-2s-Übergangs aufnehmen, von dem sie ja bisher nur die halbe Breite auf der nieder­frequenten Seite kennen. Doch jetzt macht das Alpha-Team erst einmal Weihnachts­pause.

Rainer Scharf

JOL

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