Physiker der Northwestern University haben ein einzelnes Positron, das Antiteilchen des Elektrons, in einer Penning-Falle eingefangen und bis in seinen quantenmechanischen Grundzustand abgekühlt. Das Antimaterie-Teilchen schwebt seit Monaten in einem nahezu perfekten Vakuum, rund 0,3 Grad über dem absoluten Nullpunkt, und lässt sich mit Mikrowellen gezielt zwischen einzelnen Energiestufen hin und her schalten. Damit ist erstmals ein sogenanntes Ein-Positron-Quantenzyklotron gelungen. Eine neue Messung steht damit noch aus, doch der Aufbau soll den bislang strengsten Vergleich von Materie und Antimaterie bei Elektronen ermöglichen.
Antimaterie lässt sich nicht in eine Flasche füllen. Sobald ein Positron auf ein gewöhnliches Elektron trifft, vernichten sich beide und hinterlassen nur Strahlung. Wer ein solches Teilchen untersuchen will, muss es deshalb ohne jede Berührung festhalten. Genau das ist dem Team um Gerald Gabrielse vom Center for Fundamental Physics der Northwestern University in Evanston im US-Bundesstaat Illinois gelungen. Erstautor der Studie ist der Doktorand Thomas Myers. Die Gruppe beschreibt den Aufbau in der Fachzeitschrift Physical Review Letters, die die Arbeit als Empfehlung der Redaktion hervorhebt.
Bemerkenswert ist weniger, dass überhaupt ein Positron gefangen wurde, sondern in welchem Zustand es sich befindet. Das Teilchen kreist im Magnetfeld nicht mehr wie eine klassische Ladung auf beliebigen Bahnen, sondern besetzt die niedrigste erlaubte Energiestufe. In diesem Zustand verhält sich das Positron wie ein künstliches Atom, dessen Energieniveaus die Forscher einzeln ansteuern und beobachten können. Mit einem einzelnen Elektron hatte dieselbe Gruppe dieses Kunststück bereits vor gut 25 Jahren vollbracht, bei Antimaterie gab es das bisher nicht.
Für das Experiment nutzt das Team eine Penning-Falle, ein nur etwa 1,5 Zentimeter großes Bauteil aus ringförmigen Elektroden. Ein supraleitender Magnet erzeugt ein Feld von 5,6 Tesla, also mehr als das Hunderttausendfache des Erdmagnetfelds. Es zwingt das Positron auf eine Kreisbahn. Zusätzlich halten elektrische Spannungen an den Elektroden das Teilchen in der Mitte der Falle, wo es entlang der Feldlinien rund 206 Millionen Mal pro Sekunde auf und ab schwingt. Berühren kann es dabei nichts, denn die Falle hat im eigentlichen Sinn keine Wände. Wie empfindlich solche Aufbauten sind, zeigte schon der erste Transport von Antiprotonen in einer mobilen Falle per Lastwagen am CERN.
Die gesamte Anordnung sitzt in einem vollständig abgeschlossenen Vakuumbehälter, den ein Verdünnungskühlschrank auf etwa 300 Millikelvin herunterkühlt. Diese Kälte erfüllt zwei Aufgaben zugleich. Zum einen frieren an den eiskalten Oberflächen nahezu alle restlichen Gasatome fest, sodass ein fast perfektes Vakuum entsteht. Das Positron findet so keinen Stoßpartner, an dem es zerstrahlen könnte, und kann im Prinzip beliebig lange gespeichert werden. Zum anderen verschwindet nahezu die gesamte Wärmestrahlung, die das Teilchen sonst ständig auf höhere Energiestufen anregen würde. Nach Angaben der Autoren ist die Wahrscheinlichkeit dafür nur wenig größer als eins zu 100 Milliarden.
Die Positronen stammen aus einer versiegelten Quelle mit Natrium-22, einem radioaktiven Isotop, das beim Zerfall Positronen aussendet. Diese verlassen den Kern mit Bewegungsenergien von bis zu 546 Kiloelektronenvolt. Am Ende soll das gefangene Teilchen nur noch eine thermische Energie von 26 Mikroelektronenvolt besitzen, also rund 20 Milliarden Mal weniger. Die Quelle ist dabei vergleichsweise schwach. Sie wird an einem dünnen Nylonfaden von oben durch den Kühlschrank bis an den Vakuumbehälter herabgelassen und nach dem Laden wieder hochgezogen, damit keine weiteren Teilchen in die Falle gelangen.
Der Weg in die Falle ist trickreich. Die Positronen durchqueren zunächst ein zehn Mikrometer dünnes Titanfenster und werden dann in einem Einkristall aus Wolfram abgebremst. Viele gehen dabei verloren. Einige sehr langsame Positronen treten jedoch an der Rückseite wieder aus und schnappen sich dort ein Elektron. Das neutrale Paar, ein lose gebundenes Positronium, fliegt entlang der Magnetfeldlinien durch ein nur 0,64 Millimeter großes Loch in die Falle. Weil es elektrisch neutral ist, spüren die Spannungen an den Elektroden es zunächst nicht. Erst im Inneren reißt das starke elektrische Feld das Paar auseinander, das Elektron geht verloren, das Positron bleibt gefangen. Ein einzelner Ladevorgang dauert acht bis elf Stunden, doch das fällt kaum ins Gewicht, denn nach Angaben der Forscher hält die Falle ein Positron über Monate.
Um das Teilchen gezielt anzuregen, strahlen die Forscher Mikrowellen mit einer Frequenz von etwa 156 Gigahertz in die Falle ein. Trifft die Frequenz genau den Abstand zweier Energiestufen, springt das Positron eine Stufe höher. Sichtbar wird das über einen Kunstgriff. Zwei Nickelringe um die Falle verbiegen das Magnetfeld minimal, sodass sich die Auf-und-ab-Schwingung des Teilchens bei jedem Quantensprung um rund 3,8 Hertz verschiebt. Diese Messung verändert den Zustand selbst nicht. In den Daten erscheinen die Sprünge als klare Stufen, auf die nach einigen Sekunden der Rückfall in den Grundzustand folgt. Gabrielse beschreibt es als besonderen Reiz, im eigenen Labor zuzusehen, wie ein Positron zwischen seinen niedrigsten Energiestufen springt.
Dass die Sprünge überhaupt beobachtbar sind, verdankt das Team der Bauweise der Falle. Frei im Raum würde ein angeregtes Positron seine Energie bei diesem Magnetfeld schon nach etwa 83 Millisekunden als Strahlung abgeben. Die Elektroden bilden jedoch zugleich einen Mikrowellenresonator, der diese Abstrahlung unterdrückt. Dadurch blieb das Teilchen etwa vier Sekunden im angeregten Zustand, lange genug für eine Messung. Auch den Spin, die Eigendrehung des Positrons, konnten die Forscher gezielt umklappen. Dass sich die Schwingung dabei um genau 3,8 Hertz verschob und nicht um die Hälfte, belegt nach Angaben der Autoren, dass tatsächlich nur ein einziges Positron in der Falle sitzt.
Der Aufwand dient einem grundlegenden Vergleich. Nach dem Standardmodell der Teilchenphysik sind Elektron und Positron exakte Spiegelbilder mit gleicher Masse und entgegengesetzter Ladung. Ihr magnetisches Moment, also die Stärke, mit der sie auf ein Magnetfeld reagieren, muss deshalb identisch sein. Diese Gleichheit folgt aus der sogenannten CPT-Symmetrie, einer der Grundannahmen der modernen Physik. Mit einem einzelnen Elektron in einer vergleichbaren Falle hat die Gruppe dessen magnetisches Moment bereits auf etwa ein Zehnbillionstel genau bestimmt. Das ist die präziseste Messung einer Eigenschaft eines Elementarteilchens überhaupt.
Beim Positron liegt die beste Messung dagegen bereits Jahrzehnte zurück und beruhte noch auf der klassischen Kreisbewegung des Teilchens. Gelingt mit dem neuen Quantenzyklotron eine ebenso genaue Messung wie beim Elektron, ließe sich die CPT-Symmetrie bei Elektronen und Positronen nach Berechnungen der Autoren mehr als 30-mal genauer prüfen als bisher. Ein ähnliches Ziel verfolgt die Kollaboration BASE am CERN bei Protonen und Antiprotonen, wo kürzlich ein einzelnes Antiproton zum ersten Antimaterie-Qubit wurde. Bei diesen schwereren Teilchen liegt die erreichte Genauigkeit derzeit allerdings bei etwa einem Milliardstel und damit deutlich niedriger als bei Elektronen.
Hinter dem Präzisionswettlauf steht eines der größten offenen Rätsel der Kosmologie. Beim Urknall hätten Materie und Antimaterie in gleichen Mengen entstehen müssen, und beide hätten sich gegenseitig vollständig auslöschen sollen. Trotzdem besteht das heutige Universum fast ausschließlich aus Materie. Irgendwo muss es also einen Unterschied geben, den das Standardmodell nicht erklärt. Frühere Experimente am CERN haben bereits Protonen und Antiprotonen mit hoher Präzision verglichen, ohne eine Abweichung zu finden. Das Positron bietet nun eine weitere, potenziell noch empfindlichere Gelegenheit.
Gabrielse betont, dass aktuelle Theorien keinen Unterschied zwischen den beiden Messungen vorhersagen. Sollten die magnetischen Momente von Elektron und Positron dennoch voneinander abweichen, wäre das nach seinen Worten die größte Entdeckung der Physik im vergangenen Jahrhundert. Gefährlich ist das Experiment übrigens nicht. Die Menge an Antimaterie in der Falle reicht für keinerlei Explosion, wie der Physiker in der Mitteilung der Northwestern University klarstellt.
Bis zur eigentlichen Messung ist noch Arbeit nötig. Die Studie zeigt zunächst, dass das Positron sicher gefangen, gekühlt und in einzelnen Quantenzuständen kontrolliert werden kann. Ein neues Ergebnis für das magnetische Moment enthält sie noch nicht. Nach Einschätzung der Autoren erscheint eine Messung mit der Genauigkeit der jüngsten Elektronenmessung nach weiterer Optimierung und gründlicher Untersuchung aller Fehlerquellen nun machbar. Hilfreich ist dabei, dass das Magnetfeld des supraleitenden Magneten pro Tag nur um wenige Milliardstel driftet und der gefangene Zustand selbst äußerst stabil ist. Den Spinzustand im Grundzustand schätzen die Forscher rechnerisch auf eine Lebensdauer von mehr als zwei Jahren.
Physical Review Letters, One-Positron Quantum Cyclotron; doi:10.1103/gbkc-6nlj
Northwestern University, Scientists trap and tame a single particle of antimatter for months
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