Antiwasserstoff

Antiwasserstoff ist das Antimaterie-Gegenstück zum Wasserstoff. Der Atomkern besteht aus einem Antiproton, die Atomhülle aus einem Positron.

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Ende 1995 gelang es am Forschungszentrum CERN bei Genf erstmals einige Atome des Antiwasserstoffs zu erzeugen. Die Arbeitsgruppe unter Walter Oelert vom Forschungszentrum Jülich setzte dazu ein Antiproton als Kern mit einem Positron zusammen. In den beiden folgenden Jahren wiederholten und verbesserten Forscher am Fermilab in den USA das Experiment.

Normaler Wasserstoff (ein Atom sowie ein Element) besteht aus den beiden Elementarteilchen Proton als Kern und Elektron als äußere Hülle. Zu jedem Elementarteilchen existiert ein Antiteilchen mit der Eigenschaft, umgekehrt elektrisch geladen zu sein. Ein Elektron hat eine einfache negative Elementarladung. Sein Antiteilchen, das Positron, trägt eine positive Elementarladung.

Antiteilchen treten in der normalen Natur selten auf, da sie sich beim Kontakt mit Teilchen in Energie umwandeln. Sie werden beispielsweise in Teilchenbeschleunigern künstlich mit sehr großem technischen Aufwand hergestellt. Daher ist es eine Besonderheit, wenn zwei Antiteilchen zu einem Anti-Atom vereinigt werden können. Antiteilchen lassen sich wie normale Teilchen zu Atomen kombinieren. Physiker spekulieren schon seit längerer Zeit darüber, ob sich diese Antiatome wie normale Materie verhalten. Diese Frage lässt sich jedoch erst beantworten, wenn man genügend Antiatome hat, um damit experimentieren zu können.

Die am CERN und Fermilab erzeugten Teilchen waren jedoch „heiß“: Sie bewegten sich so schnell, dass sie für weitere Untersuchungen ungeeignet waren. 2002 gelang es zwei internationalen Kollaborationen am CERN mit den Experimentiereinrichtungen ATRAP und ATHENA, Antiwasserstoff in größeren Mengen (etwa 50.000 Atome) herzustellen. Dabei hat die ATHENA Kollaboration unter der Führung des CERN-Physikers Rolf Landua die ATRAP Kollaboration in dem „Wettlauf“ um die Detektion von kaltem Antiwasserstoff um einige Wochen geschlagen. Eine Speicherung in einer magnetischen Falle, z. B. in einer sogenannten Ioffe-Falle, für nähere Untersuchungen bei einer Temperatur von einigen Grad über dem absoluten Nullpunkt gelang bisher aber noch nicht. Die Speicherung von Antiwasserstoff in einer neutralen Falle ist notwendig, um die Antiwasserstoffatome z. B. mittels Laserkühlung oder mittels sympathischer Kühlung auf Temperaturen von einigen mK oder gar µK zu kühlen und um dann hochauflösende Laserspektroskopie an Antiwasserstoff durchzuführen. Das Ziel der Laserspektroskopie ist eine Messung der 1S–2S Linie mit einer vergleichbaren Auflösung wie in der Arbeitsgruppe von Theodor W. Hänsch an Wasserstoff erreicht wird. Durch einen Vergleich der 1S–2S Übergangsfrequenz in Wasserstoff und Antiwasserstoff testet man das CPT-Theorem, ein Grundpfeiler der modernen Physik.

Literatur

• T. Hijmans, Nature 419, 439 (2002)
• M. Amoretti et al, Nature 419, 456 (2002)
• G. Gabrielse et al., Phys. Rev. Lett. 89, 213401 (2002)
• G. Gabrielse et al., Phys. Rev. Lett. 89, 233401 (2002)
• G. Gabrielse et al., Phys. Rev. Lett. 93, 073401 (2004)
• C. H. Storry et al., Phys. Rev. Lett. 93, 263401 (2004)
• G.Baur et al., Phys. Lett. B 368, S.251-258 (1996), 'Production of Antihydrogen'