Forschungsbericht 2010 - Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Laser für die Untersuchung von Antimaterie-Atomen

Autoren
Hori, Masaki
Abteilungen

Antimatter Spectroscopy (Dr. Masaki Hori)
MPI für Quantenoptik, Garching

Zusammenfassung
Nach modernen kosmologischen Theorien wurden Materie- und Antimaterie-Teilchen beim Urknall in beinahe gleichen Mengen erzeugt. Das sichtbare Universum scheint heute jedoch ausschließlich aus Materie zu bestehen. Seit 2008 arbeiten MPQ-Wissenschaftler am Forschungszentrum CERN in Genf mit Teilchenbeschleunigern, um exotische Atome zu synthetisieren, die Antimaterie-Teilchen enthalten. Eines davon ist antiprotonisches Helium. Die Eigenschaften dieses Atoms wurden mithilfe modernster Lasertechnologie erforscht um die fundamentale Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie zu untersuchen.

Die Entdeckung von Antimaterie

Nach modernen kosmologischen Modellen entstand das Weltall vor etwa 14 Milliarden Jahren in einem sogenannten Urknall. Es war anfänglich erfüllt von Energie in Form von Licht. Infolge seiner Ausdehnung und der damit zusammenhängenden Abkühlung wandelte sich ein Teil der Energie, gemäß Albert Einsteins Formel E = mc2, in Materie um. Diese Urknall-Bedingungen können Wissenschaftler heute in Experimenten erzeugen und untersuchen, bei denen sie Teilchen, die auf beinahe Lichtgeschwindigkeit beschleunigt sind, miteinander kollidieren lassen. Hier lässt sich beobachten, dass zu jedem Materie-Teilchen das entsprechende Anitmaterie-Teilchen erzeugt wird. Demzufolge könnte man annehmen, dass auch das Universum zur Hälfte aus Materie und zur anderen Hälfte aus Antimaterie besteht. Auch mit modernsten Instrumenten haben Astronomen jedoch bislang weder Anti-Sterne noch Anti-Planeten entdecken können. Das sichtbare Universum ist offenbar vollständig aus Materie aufgebaut, während die Antimaterie verschwunden ist.

Antiteilchen haben exakt die gleiche Masse, aber die entgegengesetzte elektrische Ladung wie ihre materiellen Gegenstücke. So hat das Antiproton die Ladung -1 und wiegt (zumindest geht man davon aus) genau dasselbe wie das Proton, das die Ladung +1 hat. Wenn Antimaterie und Materie miteinander in Berührung kommen, vernichten sie sich gegenseitig. Die dabei entstandene Energie wandelt sich in neue Teilchen um. Während Ernest Rutherford das Proton schon 1919 entdeckte, ließ der Nachweis des Antiprotons von E. Segre, O. Chamberlain, C. Wiegand, und T. Ypsilantis bis 1955 auf sich warten. Das Forscherteam arbeitete am damals größten Teilchenbeschleuniger, dem Bevatron im kalifornischen Berkeley. Hier wurden die Antiprotonen in Proton-Proton-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 6,2 Milliarden Elektronenvolt (GeV) erzeugt.

Die Erzeugung von Antiprotonen

1997 bauten Forscher des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) in Zusammenarbeit mit dem CERN in Genf (Schweiz) sowie weiteren europäischen, amerikanischen und japanischen Gruppen eine neue Anlage mit dem Namen „Antiprotonen Decelerator” (Abbremser). Dieser Teilchenbeschleuniger ist gegenwärtig weltweit die einzige Quelle für niederenergetische Antiprotonen. Er hat eine weit höhere Leistungsfähigkeit als das Bevatron vor 55 Jahren – er erzeugt in jeder Minute 40 Millionen Antiprotonen beim Auftreffen von Protonenstrahlen mit 26 GeV auf ein metallisches Target. Diese Antiprotonen werden gesammelt und zirkulieren in einer ringförmigen Vakuumkammer von 190 Meter Umfang. In den gekrümmten Abschnitten halten starke Magnete die Antiprotonen auf klar definierten kreisrunden Bahnen, sodass sie nicht auf die Wände der Vakuumkammer treffen. Im Ring werden die Antiprotonen schrittweise abgebremst, bevor sie den Experimenten zugeführt werden. Zwei dieser internationalen Kollaborationen, ATRAP und ALPHA, untersuchen Antiwasserstoff-Atome. Eine dritte Gruppe ASACUSA untersucht vor allem antiprotonische Heliumatome. Eine neue, vierte Gruppe AEGIS will beobachten, ob sich Antimaterie in Bezug auf die Gravitation genauso verhält wie Materie.

Eine häufig gestellte Frage lautet, ob sich die so erzeugte Antimaterie auch als Energiequelle oder Treibstoff für Raumschiffe nutzen ließe. Das ist aber wegen des unglaublich hohen Aufwands für ihre Erzeugung unmöglich – man benötigt etwa 1010 Watt um das Äquivalent von einem Watt Antimaterie zu produzieren. Die gesamte Energie der in den vergangenen 50 Jahren erzeugten Menge an Antimaterie würde kaum ausreichen, um eine einzige elektrische Glühbirne kurzzeitig zum Aufleuchten zu bringen.

Wenn Antimaterie sich nicht als Energiequelle gebrauchen lässt, warum sollte man sie dann überhaupt untersuchen? Die Physiker vertreten die Ansicht, dass in der Natur eine fundamentale Symmetrie herrscht, die sogenannte C(harge)P(arity)T(ime) Invarianz (zwischen Ladungskonjugation, Raumspiegelung und Zeitumkehr). Diese postuliert, dass eine Antiwelt von unserer realen Welt nicht zu unterscheiden ist, wenn man alle Materie im Universum durch Antimaterie ersetzt, rechts und links vertauscht und überdies den Fluss der Zeit umkehrt. Atome aus Antimaterie müssten demnach präzise dasselbe wiegen wie ihre materiellen Gegenstücke und auch mit exakt denselben Frequenzen schwingen. Könnte experimentell ein noch so kleiner Unterschied zwischen Materie und Antimaterie festgestellt werden, so würde das einen Bruch dieser fundamentalen Symmetrie-Voraussetzung bedeuten und damit einen neuen Ansatz im etablierten Gedankengebäude der Physik darstellen.
Das Schlüsselwort dabei lautet „klein“ – es ist absolut notwendig, die genauesten zur Verfügung stehenden Methoden und Instrumente zu verwenden, um diesen Vergleich mit der höchstmöglichen Präzision durchzuführen.

Nachweis der CPT-Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie mithilfe hochpräziser Laserspektroskopie

Glücklicherweise haben mehrere Generationen von Wissenschaftlern am MPQ sowie an anderen Forschungszentren weltweit die Methode der Spektroskopie von normalen Atomen mit Laserlicht allmählich so weit perfektioniert, dass die Übergangsfrequenzen mit nahezu unglaublicher Genauigkeit gemessen werden können. Wasserstoff z. B. ist das einfachste Atom überhaupt – es besteht aus einem einzelnen Proton, das von einem Elektron umkreist wird, das sich gewöhnlich im niedrigsten Zustand, d. h. im Grundzustand, befindet. Die Frequenz, die für seinen Übergang in den ersten angeregten Zustand notwendig ist, wurde von MPQ-Wissenschaftlern über einen Zeitraum von 30 Jahren gemessen. Das jüngste Resultat lautet

f(1s-2s) = 2 466 061 413 187 074 (34) Hz.

Verschiedene Techniken haben zu diesem Fortschritt beigetragen. Aber der entscheidende Durchbruch war die Erfindung des optischen Frequenzkamms, für die Theodor W. Hänsch 2005 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde. Der Frequenzkamm ist ein spezieller Lasertyp, der Lichtpulse extrem kurzer Dauer aussendet (10–15 s). Die Wiederholrate und die Phase dieser Pulse werden mithilfe einer Atomuhr genau kontrolliert. Das Gerät stellt praktisch ein Lineal dar, mit welchem die Frequenz von jedem anderen Laserlicht genau bestimmt werden kann, so wie beim oben erwähnten Wasserstoff.

original
Original 1293749886
Antiprotonisches Helium besteht aus einen Atomkern, der von einem Elektron und einem Antiproton umkreist wird.
Antiprotonisches Helium besteht aus einen Atomkern, der von einem Elektron und einem Antiproton umkreist wird.

MPQ-Wissenschaftler nutzen dieses ultrapräzise Werkzeug um Objekte zu untersuchen, die halb Materie und halb Antimaterie sind, die sogenannten antiprotonischen Heliumatome. Nun ist das Heliumatom (mit Heliumgasen werden z. B. Ballone gefüllt) ein wenig komplizierter als das Wasserstoffatom – sein Atomkern wird von zwei Elektronen umkreist. Antiprotonisches Helium entsteht einfach dadurch, dass ein Elektron durch das ebenfalls negativ geladene Antiproton ersetzt wird (Abb. 1) [1–4]. Das Antiproton kann den Kern Millionen Mal umkreisen ohne zu zerstrahlen, da zwischen den beiden Hüllenteilchen ein zwar kleiner, aber von Null verschiedener Abstand von 100 Pikometern (10-10 m) besteht. In diesem Sinn stellt normales Helium eine in der Natur vorkommende Falle für Antiprotonen dar.

Diese antiprotonischen Heliumatome wurden mit Hochleistungslasern (Spitzenleistung > 1 Megawatt) bestrahlt. Wenn der Laser genau auf die charakteristischen Frequenzen des Atoms abgestimmt ist, wechselte das Antiproton seine Bahn. Aus dieser Übergangsfrequenz erthält man Informationen über die Masse des Antiprotons (Abb. 2). Durch Vergleich dieses experimentellen Ergebnisses mit theoretischen Berechnungen ergibt sich das Verhältnis der Massen von Antiproton und Elektron zu:
manti-p/me = 1.836, 152 674 [5].

original
Original 1293750343
Das mit Laserspektroskopie bestimmte Verhältnis der Massen von Antiproton und Elektron [2] im Vergleich mit den im Verlaufe der Jahre ermittelten CODATA-Werten für das Verhältnis der Massen von Proton und Elektron.
Das mit Laserspektroskopie bestimmte Verhältnis der Massen von Antiproton und Elektron [2] im Vergleich mit den im Verlaufe der Jahre ermittelten CODATA-Werten für das Verhältnis der Massen von Proton und Elektron.

Die Frage nach Erhaltung der CPT-Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie lässt sich beantworten, wenn man dieses Ergebnis mit dem entsprechenden Massenverhältnis von Proton und Elektron vergleicht, wie es kürzlich vom Committee on Data for Science and Technolgy (CODATA) in die aktuelle Sammlung der Fundamentalkonstanten aufgenommen wurde [6]:
mp/me = 1.836, 152 672 61 (85).

Die beiden Werte sind praktisch identisch, zumindest bei dem hier erzielten Grad an Genauigkeit.

Zurzeit wird daran gearbeitet, durch Verwendung von noch ausgeklügelteren Methoden die Genauigkeit dieser Experimente weiter zu verbessern. Eine dieser Techniken beinhaltet die Kühlung von antiprotonischem Helium auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt. In anderen Experimenten werden die antiprotonischen Heliumatome in einer Teilchenfalle synthetisiert.

Originalveröffentlichungen

1.
M. Hori, A. Dax:
Chirp-corrected, nanosecond Ti:Sapphire laser with 6 MHz linewidth for spectroscopy of antiprotonic helium.
Optics Letters 34, 1273–1275 (2009).
2.
M. Hori, A. Dax, J. Eades, K. Gomikawa, R. S. Hayano, N. Ono, W. Pirkl, E. Widmann, H. A. Torii, B. Juhász, D. Barna, D. Horváth:
Determination of the antiproton-to-electron mass ratio by precision laser spectroscopy of antiprotonic helium.
Physical Review Letters 96, 243401 (2006).
3.
M. Hori, J. Eades, R. S. Hayano, T. Ishikawa, W. Pirkl, E. Widmann, H. Yamaguchi, H. A. Torii, B. Juhász, D. Horváth, T. Yamazaki:
Direct measurement of transition frequencies in isolated pbar-He+ atoms, and new CPT violation limits on the antiproton charge and mass.
Physical Review Letters 91, 123401 (2003).
4.
M. Hori, J. Eades, R. S. Hayano, T. Ishikawa, J. Sakaguchi, E. Widmann, H. Yamaguchi, H. A. Torii, B. Juhász, D. Horváth, T. Yamazaki:
Sub-ppm laser spectroscopy of antiprotonic helium and a CPT-violation limit on the antiprotonic charge and mass.
Physical Review Letters 87, 093401 (2001).
5.
P. J. Mohr, B. N. Taylor, D. B. Newell:
CODATA recommended values of the fundamental physics constants.
Reviews of Modern Physics 80, 633–730 (2008).
6.
C. Amsler et al.:
Particle Data Group Review of Particle Physics.
Physics Letters B 667, 1–6 (2008).
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