Forschungsbericht 2014 - Max-Planck-Institut für Kernphysik

Fällt ein Antimaterie-Apfel nach oben?

Autoren
Cerchiari, Giovanni; Jordan, Elena; Kellerbauer, Alban
Abteilungen
Forschungsgruppe „Ultrakalte Ionen und Antimaterieforschung“ (ERC Starting Grant), Abteilung „Gespeicherte und gekühlte Ionen“
Zusammenfassung
Neutrale Antimaterie-Atome bieten die einzigartige Gelegenheit, die Eigenschaften von Antimaterie mithilfe modernster Methoden der Atomphysik zu untersuchen. Dadurch können verschiedene Erklärungsansätze für das beobachtete Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie im Universum überprüft werden. Das AEGIS-Experiment am Antiprotonenverzögerer AD am CERN widmet sich der Frage, wie sich Antimaterie im Schwerefeld der Erde verhält. Eine Abweichung von der normalen Schwerebeschleunigung würde gegen das schwache Äquivalenzprinzip der Allgemeinen Relativitätstheorie verstoßen.

Jedes Elementarteilchen hat ein Antimaterie-Gegenstück. Begegnen sie sich, zerstrahlen sie zu reiner Energie. Im Gegenzug können Paare von Materie und Antimaterie aus dem „Nichts“ erzeugt werden. Dies geschieht an Beschleunigern, indem Teilchenstrahlen mit hoher Energie auf feststehende Targets geschossen werden. Heute ist die weltweit einzige „Antimateriefabrik“ am europäischen Kernforschungszentrum CERN in Betrieb. Dort werden Antiprotonen durch Paarbildung erzeugt und anschließend in einem Speicherring, dem Antiproton Decelerator (AD, Antiprotonenverzögerer) abgebremst und gekühlt. Der AD beherbergt vier Experimente, die sich unterschiedlichen Fragestellungen der Antimaterie-Forschung widmen.

Wo ist die Antimaterie?

Im Jahr 1955 bewies Wolfgang Pauli, dass unter bestimmten allgemeinen Annahmen, die auch dem Standardmodell der Teilchenphysik zugrunde liegen, Materie- und Antimaterieteilchen genau gleiche Eigenschaften besitzen müssen. Lediglich die Vorzeichen einiger physikalischer Größen, so zum Beispiel der elektrischen Ladung, sind umgekehrt. Wenn Materie und Antimaterie genaue Spiegelbilder sind, wieso beobachten wir dann im heutigen Universum keine primäre Antimaterie mehr, obwohl im Urknall gleiche Mengen von gewöhnlicher Materie und Antimaterie entstanden sein müssten? Wieso gibt es keine Sterne und Galaxien aus Antimaterie (s. Abb. 1)? Dies ist eine der großen unbeantworteten Fragen der Physik des 20. und 21. Jahrhunderts.

Abb. 1: Die Spiralgalaxie Messier 51 (NGC 5194) (links). Galaxien aus Antimaterie (Symbolbild rechts) sind noch nicht beobachtet worden.

Ein möglicher Erklärungsansatz läge in einer Brechung der perfekten Symmetrie von Materie und Antimaterie. Diese wird durch die diskreten Transformationen C (Ladungskonjugation), P (Raumspiegelung) und T (Zeitumkehr) beschrieben. Aus diesem Grund sind seit vielen Jahren diverse Eigenschaften von Materie- und Antimaterieteilchen verglichen worden, bisher ohne eine Abweichung festzustellen. Im Jahr 2002 gelang es dem ATHENA-Experiment am AD erstmals, ein Atom aus Antimaterie herzustellen. Aus kalten Antiprotonen und Positronen (den Antiteilchen der Elektronen) wurde Antiwasserstoff synthetisiert [1]. Mehr als zehn Jahre später erreichte das ALPHA-Experiment erstmals den Einschluss von Antiwasserstoff in einer Falle für mehrere Minuten [2].

Antimaterie-Gravitation

Neben der Überprüfung der CPT-Symmetrie sind die entwickelten Techniken zur Herstellung von atomarer Antimaterie auch für die Untersuchung der Frage wichtig, wie sich Antimaterie unter dem Einfluss der Gravitation verhält. Die Schwerkraft ist die einzige der vier fundamentalen Wechselwirkungen, die nicht durch eine Quantentheorie beschrieben wird. Laut der Allgemeinen Relativitätstheorie wird der Raum durch massereiche Objekte gekrümmt. In diesem gekrümmten Raum bewegen sich kleinere Objekte auf geraden Bahnen. Daraus folgt das schwache Äquivalenzprinzip, wonach in einem gegebenen Schwerefeld alle Körper – unabhängig von ihrer Zusammensetzung – die gleiche Beschleunigung erfahren. Dieses Postulat ist jedoch noch nie mit Antimaterie überprüft worden.

Abb. 2: Schematische Darstellung des AEGIS-Experiments. Antiprotonen und Positronen werden in Ionenfallen eingefangen und gespeichert. Nach der Erzeugung von Antiwasserstoff aus seinen Bestandteilen wird dieser zu einem horizontalen Strahl beschleunigt. Die eigentliche Schwerkraftmessung findet in einem Deflektometer statt.

Diesen Ansatz verfolgt aktuell die AEGIS-Kollaboration unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Kernphysik [3]. Ziel des AEGIS-Experiments (Antimatter Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy) ist es, einen kalten, horizontalen Antiwasserstoffstrahl zu erzeugen und seine Ablenkung im Schwerefeld der Erde zu bestimmen. Ein Prinzipbild der AEGIS-Apparatur ist in Abbildung 2 gezeigt. Wie schon in früheren Experimenten wird Antiwasserstoff aus seinen Bestandteilen in einer Ionenfalle synthetisiert. Anschließend beschleunigt ein inhomogenes elektrisches Feld die Anti-Atome in Richtung eines ca. 1 m entfernten Detektors. Selbst bei sehr niedrigen Temperaturen würde sich der Teilchenstrahl durch die thermische Bewegung auf mehrere Zentimeter aufweiten, so dass eine erwartete vertikale Ablenkung von wenigen Mikrometern nicht mehr nachweisbar wäre. Daher macht sich die AEGIS-Kollaboration den Wellencharakter der Teilchen zunutze.

Kraftmessung durch Materiewellen

Die Funktionsweise des Materiewellen-Interferometers beruht darauf, dass Teilchen sich wie Wellen verhalten können. So kann ein Teilchenstrahl durch ein Gitterpaar aufgespalten und wieder zusammengeführt werden. Es entsteht ein feines Beugungsmuster, das eine winzige vertikale Verschiebung nachweisen kann. Bei größerem Gitterlinienabstand funktioniert die Anordnung auch rein klassisch durch Erzeugung eines Schattenmusters. Sie wird dann Moiré-Deflektometer genannt und ist bereits zur Messung der Schwerkraft mit gewöhnlichen Atomen verwendet worden [4]. Das Interferenz- oder Schattenbild wird mit einem ortsauflösenden Detektor hinter den Gittern aufgezeichnet. Bei AEGIS kommt eine Kombination aus einer Foto-Emulsion [5] und einem Siliziumstreifen-Detektor zum Einsatz. Dadurch kann eine sehr hohe Orts- und Zeitauflösung erreicht werden.

Abb. 3: AEGIS-Apparatur am Antiproton Decelerator, CERN, Genf. Im Bild zu sehen sind im Hintergrund die Positronen-Quelle und das Antiprotonen-Strahlrohr vom AD und im Vordergrund die supraleitenden Magneten mit den Ionenfallen, in denen die geladenen Teilchen eingeschlossen und gespeichert werden und der Antiwasserstoff hergestellt wird.

Das AEGIS-Experiment befindet sich seit 2010 im Aufbau (Abb. 3). Während einer Strahlzeit 2012 wurden erfolgreich Antiprotonen vom AD eingefangen und gespeichert. Des Weiteren wurde eine verkleinerte Version eines Moiré-Deflektometers mit Antiprotonen getestet. Auf diese Weise konnte die Kraft (ausgeübt durch elektromagnetische Streufelder) auf Antiprotonen mit einer Genauigkeit von etwa 400 Attonewton (4×10‒16 N) bestimmt werden. Inzwischen ist der Aufbau und die Inbetriebnahme folgender Komponenten abgeschlossen: Die supraleitenden Magneten, die Ionenfallen für den Einfang der Antiprotonen und die Erzeugung des Antiwasserstoffs, die Positronenquelle sowie die Lasersysteme [6]. Derzeit sind die CERN-Beschleuniger für eine Erweiterung des Large Hadron Colliders außer Betrieb. In dieser Zeit wird als letzter Hauptbestandteil der Apparatur das Moiré-Deflektometer entwickelt, konstruiert und gebaut. Erste Gravitationsmessungen mit Antiwasserstoff sind für die zweite Jahreshälfte 2014 oder Anfang 2015 geplant.

Literaturhinweise

1.
Amoretti, M.; Amsler, C.; Bonomi, G.; Bouchta, A.; Bowe, P.; Carraro, C.; Cesar, C. L.; Charlton, M.; Collier, M. J. T.; Doser, M. et al. (ATHENA Collaboration)
Production and detection of cold antihydrogen atoms
Nature 419, 456-459 (2002), doi:10.1038/nature01096
2.
Andresen, G. B.; Ashkezari, M. D.; Baquero-Ruiz, M.; Bertsche, W.; Bowe, P. D.; Butler, E.; Cesar, C. L.; Charlton, M.; Deller, A.; Eriksson, S. et al. (ALPHA Collaboration)
Confinement of antihydrogen for 1,000 seconds
Nature Physics 7, 558-564 (2011), doi:10.1038/nphys2025
3.
Kellerbauer, A.; Amoretti, M.; Belov, A. S.; Bonomi, G.; Boscolo, I.; Brusa, R. S.; Büchner, M.; Byakov, V. M.; Cabaret, L.; Canali, C. et al. (AEGIS Collaboration)
Proposed antimatter gravity measurement with an antihydrogen beam
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 266, 351-356 (2008), doi:10.1016/j.nimb.2007.12.010
4.
Oberthaler, M. K.; Bernet, S.; Rasel, E. M.; Schmiedmayer, J.; Zeilinger, A.
Inertial sensing with classical atomic beams
Physical Review A 54, 3165-3176 (1996), doi:10.1103/PhysRevA.54.3165
5.
Aghion, S.; Ahlén, O.; Amsler, C.; Ariga, A.; Ariga, T.; Belov, A. S.; Bonomi, G.; Bräunig, P.; Bremer, J.; Brusa, R. S. et al. (AEGIS Collaboration)
Prospects for measuring the gravitational free-fall of antihydrogen with emulsion detectors
Journal of Instrumentation 8, P08013 (2013), doi:10.1088/1748-0221/8/08/P08013
6.
Kellerbauer, A.; Allkofer, Y.; Amsler, C.; Belov, A. S.; Bonomi, G.; Bräunig, P.; Bremer, J.; Brusa, R. S.; Burghart, G.; Cabaret L. et al. (AEGIS Collaboration)
The AEGIS experiment at CERN: Measuring the free fall of antihydrogen
Hyperfine Interactions 209, 43-49 (2012), doi:10.1007/s10751-012-0583-x
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