Die Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie: Experimente mit größter Präzision bei niedrigsten Energien

In der gegenwärtigen Teilchenphysik gibt es eine perfekte Symmetrie zwischen Teilchen und den entsprechenden Antiteilchen: die Massen sind beispielsweise genau gleich, die Ladungen haben entgegengesetzes Vorzeichen aber genau gleichen Betrag und die Lebensdauern sind genau gleich. Dagegen gibt es auf einer kosmischen Skala eine solche Materie-Antimaterie-Symmetrie nicht: es gibt keine Anzeichen für Antimaterie-Bereiche in unserer Galaxie.

Geht man davon aus, dass beim Urknall gleichviel gewöhnliche Materie wie Antimaterie entstanden ist, dann ist es ein Rätsel, wo die Antimaterie im Universum geblieben ist.  Eine mögliche Erklärung ist, dass Materie und Antimaterie eben doch nicht ganz genau symmmetrisch sind.  Dass sich also Materie und Antimaterie weitgehend gegenseitig zu Strahlung vernichtet haben, aber eben nicht ganz. Und aus dem kleinen verbleibenden Rest an gewöhnlicher Materie besteht beispielsweise unsere Galaxie. Eine andere mögliche Erklärung für die Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum ist, dass die Gravitationskraft zwischen Materie und Antimaterie anders ist als etwa zwischen Materie und Materie.  Vielleicht wurde also die Antimaterie abgestoßen.

In der Sektion MAM wollen wir erstmals die Fallbeschleunigung von Antimaterie messen. Eine solche Bestimmung der schweren Masse von Antimaterie würde zugleich den ersten Test des Einsteinschen Äquivalenzprinzips mit Antimaterie darstellen. Antiwasserstoff-Atome eignen sich besonders gut für Gravitatationsexperimente weil sie elektisch neutral sind. In einem Frei-Fall-Experiment sind Antiwasserstoff-Atome deshalb viel weniger empfindlich auf parasitäre Streufelder als geladene Teilchen wie Antiprotonen oder Positronen.

Für den präzisen experimentellen Test der Symmetrie zwischen Materie und  Antimaterie bietet die vergleichende Laserspektroskopie von Wasserstoff und Antiwasserstoff ein enormes Potential: Im gewöhnlichen Wasserstoff-Atom kann die Spektralline für den Übergang aus dem 1S Grundzustand in den 2S metastabilen angeregten Zustand mit einer Genauigkeit von besser als 2 Teilen in 100 000 000 000 000 gemessen werden (Arbeiten von T. W. Hänsch, MPI für Quantenoptik).  Wenn es gelingt, auch Antiwasserstoff-Atome mit höchstauflösender Laserspektroskopie ähnlich genau zu untersuchen, dann wäre das ein Test der Materie-Antimaterie-Symmetrie mit ungekannter experimenteller Präzision.  Ein wichtiger Meilenstein ist dabei kürzlich erreicht worden: Antiwasserstoff-Atome wurden erstmals in einer magnetischen Falle gespeichert (ALPHA-Kollaboration am CERN).

Sowohl für die Laserspektroskopie als auch für Gravitationsexperimente ist es von großer Bedeutung, die Antiwasserstoff-Atome zu kühlen. Das Laserkühlen von Antiwasserstoff erfordert allerdings kurzwellige Strahlung im Vakuum-Ultraviolett bei 122 nm Wellenlänge (Lyman-alpha).  Es ist eine große technische Herausforderung, kontinuierliches Laserlicht bei einer derart kurzen Wellenlänge zu erzeugen. In der Sektion MAM gibt es die weltweit einzige kontinuierliche Lyman-alpha Laserlichtquelle.  Sie beruht auf der Summenfrequenzmischung von drei eingestrahlten Laserlichtfeldern in einem Metalldampf.  Gegenwärtig versuchen wir durch Summenfrequenzmischung in Resonatoren und Hohlfasern die Ausgangsleistung der Lyman-alpha Quelle zu steigern.

Ein weiterer Schwerpunkt der Sektion MAM sind Präzisions-Experimente mit einzelnen gespeicherten Protonen und Antiprotonen.  Das Ziel ist dabei die genaueste Messung des magnetischem Moments.  Um höchste Präzision zu erreichen werden diese Experimente mit nur einem einzelnen Teilchen durchgeführt.  Die Fallenapparatur wird dabei auf kryogene Temperaturen abgekühlt. Der verbleibende Restgas-Druck ist dann so gering, dass die Speicherzeiten praktisch unbegrenzt sind (Monate). Ein gespeichertes Proton induziert in den Elektroden der Falle winzige Ströme, die mit supraleitenden Schwingkreisen höchster Güte und kryogener Elektronik nachgewiesen warden können.

Zur Messung des magnetischem Moments wird das Proton in einem homogenen Magnetfeld gespeichert und es wird ein Hochfrequenz-Magnetfeld eingestrahlt, das den Spin umklappen kann. Das Proton selbst wird dabei als Präzisions-Magnetometer verwendet, indem die Bewegungsfrequenz im Magnetfeld (Zyklotron-Frequenz) gemessen wird.  Der Nachweis der Spin-Flip-Quantensprünge erfolgt in einem anderen Teil der Falle mit einem inhomogenen Magnetfeld ("magnetische Flasche").  Kürzlich ist es erstmals gelungen, Spin-Flips mit einem einzelnen gespeicherten Proton nachzuweisen (S. Ulmer et al., Phys. Rev. Lett. 2011).

Die Abbildung zeigt die Quantensprung-Spektroskopie des Spin-Flip-Übergangs in der magnetischen Flasche. Diese Linie ist durch das inhomogene Magnetfeld auf 1 Teil in 10 000 verbreitert. Künftige Experimente werden den Spin-Flip im homogenen Magnetfeldbereich der Fallenapparatur treiben und wir erwarten dann eine Messgenauigkeit von 1 Teil in 1000 000 000 oder besser.

 

Die Abbildung zeigt die Quantensprung-Spektroskopie des Spin-Flip-Übergangs in der magnetischen Flasche. Diese Linie ist durch das inhomogene Magnetfeld auf 1 Teil in 10 000 verbreitert. Künftige Experimente werden den Spin-Flip im homogenen Magnetfeldbereich der Fallenapparatur treiben und wir erwarten dann eine Messgenauigkeit von 1 Teil in 1000 000 000 oder besser.
Das gleiche Präzisions-Experiment soll dann mit einem einzelnen gespeicherten Antiproton durchgeführt werden.  Der Vergleich der magnetischen Momente von Proton und Antiproton wäre ein komplementärer experimenteller Test der Materie-Antimaterie-Symmetrie mit einer vektoriellen Größe.
Für die Experimente von MAM werden Antiprotonen bei niedrigen Energien benötigt. Derzeit ist der Antiproton Decelerator (AD) am europäischen Teilchenphysik-Zentrum CERN bei Genf die weltweit einzige solche Antiprotonen-Quelle.  Eine Quelle der nächsten Generation für gekühlte Strahlen von Antiprotonen bei niedrigsten Energien ist das geplante Projekt FLAIR (Facility for Low-Energy Antiproton and Ion Research).  FLAIR ist Teil des neuen internationalen Beschleunigerzentrums FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) beim GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt.
Webseite des FLAIR-Projekts

Druck-Version

Kontakt

Prof. Dr. Dmitry Budker

Sektionsleiter

budker(at)uni-mainz.de