von DIRK EIDEMÜLLER
In der Science Fiction ist Antimaterie beliebt, zum Beispiel als immense Energiequelle für Raumschiffe. Die gigantische Energiedichte solch fantastischer Antimaterie-Speicher beschreibt Albert Einsteins berühmte Gleichung E = mc2 zur Äquivalenz von Masse und Energie. Wenn Antimaterie auf Materie trifft, zerstrahlen beide. Eine bessere Methode zum Speichern und Nutzen von Energie gibt es nicht.
In der Realität gestaltet sich dies allerdings ziemlich schwierig: Um Antimaterie aufzubewahren, benötigt man ein beinahe perfektes Vakuum. Jedes kleine Leck würde zu einem gewaltigen Energieumsatz führen, der das imaginäre Raumschiff explodieren ließe.
„In der Teilchenphysik bemühen wir uns dennoch seit Jahren intensiv darum, zumindest winzige Mengen Antimaterie ‚auf die Straße‘ zu bringen“, sagt Stefan Ulmer, Physikprofessor an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf. Ihm und seinem Team ist es geglückt, Antimaterie in einem Spezialcontainer auf einem Lastwagen zu transportieren.
Hier geht es allerdings nicht um Energiespeicherung, sondern um Präzisionsexperimente. Denn die Erforschung der Antimaterie steht heute vor einem Problem: Man kann zwar bereits kleine Mengen erschaffen und damit experimentieren. Aber solche Versuche müssen bislang dort stattfinden, wo die Antimaterie auch erzeugt wird, also an Teilchenbeschleunigern wie beim Europäischen Kernforschungszentrum CERN.
Störende Magnetfelder
In der unmittelbaren Nähe zu einem Teilchenbeschleuniger sind besonders exakte Messungen allerdings schwierig., weil die Magnetfelder der Beschleunigermagnete stören. Am liebsten würden die Teilchenphysiker deshalb Antimaterie in spezialisierten, hochgradig abgeschirmten Laboren untersuchen. „Die Präzisionsspektroskopie erlaubt heutzutage extrem genaue Messungen an normalem Wasserstoff“, sagt Ulmer. „Damit lässt sich die Quantentheorie auf bis zu 15 Nachkommastellen überprüfen.“ Beim Antiwasserstoff erreicht man gegenwärtig etwa 12 Nachkommastellen.
Wenn man lediglich Atomkerne untersucht – also keine elektronischen Übergänge wie beim Wasserstoff beziehungsweise positronischen Übergänge beim Antiwasserstoff –, dann verringert sich die Präzision ein wenig. So ist der gyromagnetische Faktor des Protons, der sein magnetisches Verhalten beschreibt, mit gut neun Nachkommastellen bekannt. Beim Antiproton, dem Antiteilchen des Protons, liegt die Messgenauigkeit um etwa den Faktor 1.000 niedriger. Das sind zwar hervorragende Werte. Aber um die Quantentheorie möglichst streng zu testen, benötigt man eine noch größere Genauigkeit, die nur in eigens dafür eingerichteten Laboren erreichbar ist.
Rätselhafte Symmetrie
Dahinter steht auch eines der großen Rätsel in der heutigen Physik: Warum besteht unser Universum überhaupt aus Materie und nicht aus Antimaterie? Ein bislang unbekannter Mechanismus muss dafür gesorgt haben, dass nach dem Urknall ein wenig mehr Materie als Antimaterie entstanden ist (BDW 6/2012, „Antimaterie“). Als beide Materieformen kurz nach der Entstehung des Universums miteinander zerstrahlt sind, blieb nur die gewöhnliche Materie übrig. Die heutige Quantentheorie liefert keinen Hinweis darauf, worin die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie besteht.
„In Laborexperimenten sieht es bislang so aus, als wären Materie und Antimaterie in allen Eigenschaften perfekt symmetrisch“, sagt der Wissenschaftler. Die einzigen bekannten Unterschiede ergeben sich aus dem seltenen Zerfall exotischer Teilchen. Protonen und Antiprotonen haben aber dieselbe Masse, exakt die entgegengesetzte Ladung und zeigen auch sonst ein identisches Verhalten. Die Hoffnung ist, bei Experimenten mit noch höherer Präzision einen winzigen Unterschied zu finden.
Dazu muss man Antimaterie produzieren. „Am CERN gibt es mit der Antimatter Factory eine Anlage, die unter anderem Antiprotonen erzeugt“, erläutert Ulmer. Zunächst wird ein Strahl von hochenergetischen Protonen aus dem Teilchenbeschleuniger in einen Metallblock aus Iridium geschossen. Dabei entstehen in zwei Minuten bis zu 30 Millionen Antiprotonen. Diese werden mit dem Antiproton Decelerator abgebremst, dann mit dem Extra Low Energy Antiproton Ring auf noch tiefere Energien gebracht und schließlich in elektromagnetischen Fallen gefangen.
Ultrahohes Vakuum
Der Bau solcher Fallen ist eine Spezialität des Teams um Stefan Ulmer. „Wir arbeiten mit sogenannten Penning-Fallen, das sind elektromagnetische Container“, sagt er. Supraleitende Magnete halten die Antiprotonen im Zaum. Außerdem muss in solchen Fallen ein extremes Vakuum herrschen, da jedes Gasteilchen mit den Antiprotonen zerstrahlen kann. Bei einem Druck von lediglich einem Milliardstel Milliardstel Millibar fliegen kaum noch störende gewöhnliche Atome in die Falle. Sie muss dazu mit flüssigem Helium auf minus 268 Grad Celsius gekühlt werden, also knapp über den absoluten Temperatur-Nullpunkt. Außerdem muss die elektrische Spannung an den Fallen-Elektroden sehr genau fixiert bleiben.
Rund 850 Kilogramm schwer ist die transportable, von Batterien mit Strom versorgte Penning-Falle samt der Technik zum Einsperren der Antiprotonen. Man will die Teilchen sowohl in die Falle ein- als auch wieder aus ihr herausbringen. Und dabei muss das ultrahohe Vakuum erhalten bleiben. „Vorversuche mit Protonen waren bereits geglückt“, berichtet Ulmer. „Die größten Bauchschmerzen hat uns das Vakuum bereitet – es hätte schlecht werden können durch vibrationsinduzierte Ablösung von Eis am Kühlsystem.“ Doch die jahrelange Technologieentwicklung machte sich bezahlt: Der Transport verlief planmäßig.
Insgesamt 92 Antiprotonen schickte das Team auf die Reise, das heißt eine Runde über das CERN-Gelände. Danach ging es wieder zurück an die Experimentieranlage, wo die Antiprotonen zurückgespeist wurden. Mit dieser eindrucksvollen Demonstration steht nun der Weg offen, um Antiprotonen zu Speziallaboren quer durch Europa zu schicken.
Für aussagekräftige Experimente benötigt man allerdings eine größere Zahl an Antiprotonen. Die Wissenschaftler arbeiten deshalb daran, die Teilchenmenge zu erhöhen: schrittweise auf 1.000 und mehr, schließlich auf rund 100.000. Dafür ist weitere Entwicklungsarbeit notwendig, denn Penning-Fallen sind eine komplexe Angelegenheit. Aber das Team rechnet fest mit einem Erfolg. In ungefähr drei Jahren schon könnten Transporte mit Antimaterie über unsere Straßen rollen.
Für die Forscher ist die geglückte Demonstration ein entscheidender Zwischenschritt, um Neuland zu erkunden. „Wir sind sehr gespannt, welche Ergebnisse die Antimaterie-Forschung in den kommenden Jahren bringen wird“, sagt Ulmer. „Vielleicht gelingt es tatsächlich, einen Unterschied zwischen Materie und Antimaterie dingfest zu machen!“ ■
