Ein internationales Forscherteam am Europäischen Kernforschungszentrum CERN in Genf kann innerhalb weniger Minuten 50.000 Antiwasserstoffatome erzeugen. Mit dieser großen Menge von Antimaterie soll die Standardtheorie der Teilchenphysik getestet werden. Das könnte die Frage klären, warum es in unserem Universum so gut wie keine Antimaterie gibt. Die Forscher stellen den Aufbau ihres Experimentes ATHENA in einer Vorabveröffentlichung der Fachzeitschrift Nature (DOI: 10.1038/nature01096) vor.
Gemäß der Standardtheorie der Teilchenphysik verhält sich Antimaterie in einem gewissen Sinne exakt “spiegelbildlich” zu Materie. Das macht es außerordentlich schwer zu verstehen, warum unser Universum offenbar ausschließlich aus Materie besteht. Denn gemäß dieser “Spiegelbildtheorie” können Teilchen nur gemeinsam mit ihren zugehörigen Antiteilchen aus reiner Energie erzeugt oder zu Energie vernichtet werden. Wie kann es da zu dem beobachteten Materieüberschuss in unserem Universum gekommen sein?
Eine mögliche Antwort, die im CERN überprüft werden soll, wäre eine winzige Abweichung der Antimaterie von dem von der Standardtheorie behaupteten spiegelbildlichen Verhalten. Antiwasserstoff eignet sich für diesen Test deshalb besonders gut, weil eine bestimmte Eigenschaft des Wasserstoffatoms außerordentlich genau bekannt ist.
Im Wasserstoffatom kreist ein Elektron um ein Proton. Gemäß der Quantenmechanik kann das Elektron sich nicht auf beliebigen Bahnen um das Proton bewegen, sondern hat nur bestimmte Bahnen zur Auswahl. Die Häufigkeit, mit der das Elektron unter bestimmten Bedingungen von der untersten auf die nächsthöhere Bahn wechselt, ist bis auf etwa ein Billionstel Prozent genau bekannt.
Die CERNer Physiker wollen diese Häufigkeit mit der entsprechenden Häufigkeit im Antiwasserstoffatom vergleichen. Die Genauigkeit dieses Vergleichs soll Eins zu einer Trilliarde (eine Eins mit 18 Nullen) betragen. Um diese Genauigkeit zu erreichen, muss die Temperatur des Antiwasserstoffs in der Nähe des absoluten Nullpunktes bei minus 273 Grad Celsius liegen. Da man Antiwasserstoff aus naheliegenden Gründen nicht einfach kühlen kann ? die Elektronen und Protonen der Atome des Kühlmediums würden sich sofort mit den entsprechenden Antiteilchen des Antiwasserstoffs gemeinsam vernichten ? erzeugen die Physiker den Antiwasserstoff gleich bei dieser niedrigen Temperatur.
Ein weiteres Experiment, das man mit dem Antiwasserstoff plant, ist der Test der allgemeinen Relativitätstheorie. Man will wissen, ob Antiwasserstoffatome unter dem Einfluss der Gravitation genauso schnell fallen wie Wasserstoffatome. Bei einzelnen Elementarteilchen wie Elektronen oder Positronen ist solch ein Test nur schwer durchzuführen, da diese Teilchen wegen ihrer elektrischen Ladung von kleinsten elektromagnetischen Feldern abgelenkt werden. Das (Anti-) Wasserstoffatom verhält sich diesen Feldern gegenüber dagegen neutral.
Axel Tillemans
