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CERN: Kein Unterschied von Materie und Anti-Materie bei Quanteneffekt

20.02.2020

Forscher am CERN, der Europäischen Organisation für Kernforschung bei Genf (Schweiz), haben bei der Messung eines Quanteneffekts keinen Unterschied zwischen Materie und Antimaterie - konkret zwischen Wasserstoff und Anti-Wasserstoff - festgestellt. Mit ihren Experimenten wollen sie nicht mehr und nicht weniger als das Rätsel unserer Existenz lösen.

Eigentlich ist beim Urknall gleich viel Materie und Antimaterie entstanden, so die bis heute gültige Theorie. Weil sich beide gegenseitig auslöschen, hätte eigentlich keine Materie übrigbleiben dürfen. Und doch gibt es das Weltall mit seinen Sternen, Planeten, der Erde und der Menschheit. Somit ist es ein wahrhaft existenzielles Rätsel, dem Forschende am CERN bei Genf auf der Spur sind.

Indem sie Anti-Wasserstoff, das Antimaterie-Pendant zu Wasserstoff, bis ins kleinste Detail vermessen, hoffen sie, eine Erklärung zu finden. Ein winziger Bruch in der Symmetrie von Materie und Antimaterie, ein kleinster Unterschied im Verhalten von Teilchen und Antiteilchen könnte den Weg zur Lösung des Rätsels weisen.

Weg für präzisere Messungen geebnet

Das internationale Forscherteam des Alpha-Experiments berichtet nun im Fachblatt "Nature" von neuen Erkenntnissen über Anti-Wasserstoff. Einen Unterschied zu Wasserstoff fanden sie zwar auch diesmal nicht, doch die Ergebnisse ebnen den Weg für noch präzisere Messungen, wie das CERN mitteilte.

In ihrem Fachartikel berichteten die Forscher von der sogenannten Feinstruktur und der "Lamb-Verschiebung" des Anti-Wasserstoffs. Dabei geht es grob gesagt um Eigenschaften der Energieniveaus, die Elektronen im Wasserstoff, beziehungsweise Positronen (die Anti-Elektronen) im Anti-Wasserstoff einnehmen können.

Die Forscher des Alpha-Experiments können bereits seit einigen Jahren unter großem Aufwand Anti-Wasserstoff-Atome herstellen, in einer Magnetfalle unter Hochvakuum einfangen und mittlerweile über mehrere Tage aufbewahren und damit experimentieren. Indem sie die Anti-Atome in der Magnetfalle mit Laserlicht anregen, können sie die Übergänge der Positronen zwischen verschiedenen Energieniveaus messen. So berichteten sie zuletzt 2018 von Messungen der sogenannten "Lyman-alpha-Elektronentransition", einem Übergang eines (Anti-)Elektrons vom niedrigsten Energielevel auf ein höheres.

Feinstruktur und "Lamb-Verschiebung" untersucht

In der neuen Studie gingen die Wissenschafter noch mehr ins Detail des angeregten Zustands und konnten dessen Feinstruktur vermessen. Gemeint ist damit die Zusammensetzung dieses Energieniveaus aus mehreren Energiewerten. Zudem untersuchten sie die sogenannte "Lamb-Verschiebung", einen quantenphysikalischen Effekt, der zu geringfügigen Differenzen bei diesen Energiewerten führt. Die Entdeckung dieses Effekts durch Willis Lamb vor rund 70 Jahren legte die Basis für die Quantenelektrodynamik, die Theorie, wie Materie mit Licht interagiert.

Sowohl in Feinstruktur als auch "Lamb-Verschiebung" konnten die Forschenden keinen Unterschied zwischen Anti-Wasserstoff und Wasserstoff feststellen. Auch wenn sich damit also noch keine Antwort auf das Rätsel der Existenz von Materie abzeichnet, werten die Forscher die neuen Ergebnisse als Erfolg. Denn sie ebnen den Weg für neue Methoden, Anti-Wasserstoff in Zukunft noch präziser zu untersuchen. Der nächste Schritt sei, große Mengen von Anti-Wasserstoff mithilfe von modernster Laser-Kühlungstechnik zu kühlen und damit noch exaktere Messungen und Vergleiche anzustellen denn je, wie Jeffrey Hangst, Sprecher des Alpha-Experiments, erklärte.

Service: https://www.nature.com/articles/s41586-020-2006-5

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