Antiwasserstoff ist elektrisch neutral

  • 05. June 2014

Präzisionsmessungen der elektrischen Ladung liefern das erwartete Ergebnis.

Mehrere Forschergruppen suchen intensiv nach Anzeichen dafür, dass sich Materie und Antimaterie in ihren physikalischen Eigenschaften geringfügig unterscheiden. Damit ließe sich erklären, dass beim Urknall etwas mehr Materie entstanden ist als Antimaterie. Dieser Materieüberschuss erfüllt heute – nachdem sich der Rest annihiliert hat – das Universum. Jetzt wurde die elektrische Ladung von Antiwasserstoffatomen mit bisher unerreichter Genauigkeit gemessen.

zylindrischen Penningfalle

Abb.: In der zylindrischen Penningfalle treffen Positronen und Antiprotonen aufeinander und bilden Antiwasserstoffatomen, die von elektrischen und magnetischen Feldern festgehalten werden. Nach Abschalten der Magnetfelder bewegen sich die Antiatome in einem axialen elektrischen Feld, ehe sie an der Fallenwand annihilieren und sich durch dabei entstehende Pionen verraten. Wie weit sie im Axialfeld driften, gibt Aufschluss über ihre hypothetische elektrische Ladung. (Bild: G. B. Andresen et al. / NPG)

Beim Alpha-Experiment am CERN führt ein internationales Forscherteam Präzisionsmessungen an Antiwasserstoffatomen durch. Dazu werden Antiprotonen, die durch Paarerzeugung produziert wurden, abgebremst, in einer Magnetfalle festgehalten und mit Positronen zusammengebracht, die daraufhin von den Antiprotonen eingefangen werden. An den dabei entstehenden Antiwasserstoffatomen hat man zwei verschiedene Arten von Messungen durchgeführt.

Mit spektroskopischen Messungen will man herausfinden, ob sich Atome und Antiatome in ihren Anregungsenergien unterscheiden. Damit lässt sich die Gültigkeit der CPT-Invarianz überprüfen. Indem man beobachtet, ob Antiwasserstoffatome im Schwerefeld der Erde anders herabfallen als Wasserstoffatome, testet man das Schwache Äquivalenzprinzip der Einsteinschen Gravitationstheorie, demzufolge alle Körper in gleicher Weise fallen sollten.

Die Genauigkeit der bisherigen Experimente wurde dadurch beeinträchtigt, dass die Antiwasserstoffatome noch nicht auf so geringe Geschwindigkeiten oder Temperaturen gebracht werden konnten, wie es für Wasserstoffatome möglich ist. Bislang hat man aber noch keine signifikanten Unterschiede zwischen den Atomen und den Antiatomen feststellen können. Bei den spektroskopischen Messungen hatte man zusätzliche Daten erhoben, die jetzt dazu genutzt wurden, die elektrische Ladung der Antiwasserstoffatome zu bestimmen.

Die gemessene elektrische Ladung des Antiwasserstoffatoms für unterschiedliche Datensätze,

Abb.: Die gemessene elektrische Ladung des Antiwasserstoffatoms für unterschiedliche Datensätze, ausgewählt aus insgesamt 539 beobachteten Ereignissen. Der Datensatz mit den 386 genauesten Beobachtungen ist blau markiert. (Bild: C. Amole et al. / NPG)

Die Antiatome befanden sich in einer zylindrischen Penning-Falle, die sie mit elektrischen und magnetischen Feldern festhielt. Außerdem waren sie einem elektrischen Feld in axialer Richtung ausgesetzt, durch das eventuell noch vorhandene einzelne Antiprotonen aus der Falle getrieben wurden. Nachdem die spektroskopischen Messungen durch Anregung der Antiatome mit Mikrowellen abgeschlossen waren, wurden die Magnetfelder abgeschaltet. Die Antiatome konnten daraufhin zur Wand der Falle gelangen und dort annihilieren. Die dabei entstandenen Pionen wurden zeit- und ortsaufgelöst registriert.

Aus den Signalen des Pionendetektors ließ sich ermitteln, wie weit sich die Antiatome in der Zeitspanne vom Abschalten des Magnetfeldes bis zur Annihilation von ihrem Ausgangspunkt in der Fallenmitte entfernt hatten. Mit Hilfe von Computersimulationen bestimmten die Forscher, welchen Weg ein Antiatom, das eine winzige Ladung trägt, unter dem Einfluss des axialen elektrischen Feldes in der abgeschalteten Falle zurücklegt. Durch Vergleich der gemessenen und der berechneten Distanzen ließ sich ein Messwert für die hypothetische Ladung des Antiwasserstoffatoms angeben.

Demnach beträgt die Ladung des Antiwasserstoffatoms Q = (–1,3 ± 1,1 ± 0,4) × 10-8 e mit der Elementarladung e, wobei die angegebenen Fehler statistischer bzw. systematischer Natur sind. Die Forscher hatten bei ihren Experimenten Messungen für beide Richtungen des axialen elektrischen Feldes durchgeführt. Allerdings waren die Experimente nicht für die Ladungsmessungen optimiert, da sie ja ursprünglich für spektroskopische Messungen durchgeführt worden waren. Dennoch ist das Ergebnis etwa eine Million Mal genauer als das Resultat einer früheren direkten Ladungsbestimmung für das Antiwasserstoffatom. Geht man hingegen von den direkt gemessenen Ladungsanomalien für das Antiproton und das Positron aus, so erhält man für die Ladung Q des Antiwasserstoffatoms: |Q|< 2,5 × 10-8 e, was nur halb so genau ist, wie das neue Messergebnis.

Durch weitere Kühlung der Antiwasserstoffatome in der Falle sollte sich die Messgenauigkeit für Q um den Faktor zehn verbessern lassen. Mit einer anderen Technik, bei der die Atome in einem zufällig um 0 schwankenden elektrischen Feld diffundieren, ließe sich nach Meinung der Forscher eine Messgenauigkeit von 10-12 e erreichen. Sie weisen darauf hin, dass die Gravitationsexperimente mit Antiatomen durch vorhandene elektrische Felder systematisch verfälscht würden, wenn die Antiatome eine elektrische Ladung Q trügen. Nur wenn Q kleiner als 10-7 e ist, gewinnt das Schwerefeld die Oberhand über das elektrische Feld. Der jetzt ermittelte Wert für Q stellt demnach sicher, dass dieser systematische Fehler für die Gravitationsexperimente unerheblich ist.

Im August starten die Antiwasserstoffexperimente mit einem verbesserten „Entschleuniger“ für Antiprotonen, sodass die Antiatome auf tiefere Temperaturen gebracht und die Messungen mit höherer Genauigkeit durchgeführt werden können. Dann geht die Suche nach den Unterschieden zwischen Materie und Antimaterie in eine neue, möglicherweise entscheidende Runde.

Rainer Scharf

CT

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