Ein US-Forschungsteam hat erstmals ein einzelnes Positron, das Antiteilchen des Elektrons, über Monate in einer Vakuumfalle eingesperrt und kontrolliert. Die Wissenschaftler um Gerald Gabrielse von der Northwestern University wollen mit dieser im Fachblatt Physical Review Letters
veröffentlichten Methode nach fundamentalen Unterschieden zwischen Materie und Antimaterie suchen.
Warum das Universum existiert, treibt Physiker seit Jahrzehnten um. Das Standardmodell der Physik beschreibt alle bekannten Elementarteilchen und deren Wechselwirkungen zwar überaus erfolgreich, weist jedoch eine fundamentale Lücke auf. Nach der Theorie müssten beim Urknall exakt gleiche Mengen an Materie und Antimaterie entstanden sein. Da sich Teilchen und Antiteilchen bei Kontakt jedoch sofort durch Annihilation in einem Strahlungsblitz vernichten, dürfte nach den Gesetzen der bisherigen Physik eigentlich nichts im Kosmos übrig bleiben.
Wie Forscher ein Antiteilchen in einer Vakuumfalle bändigen
In der Natur entstehen Positronen zwar beim radioaktiven Zerfall, doch sie überleben dort nur kurz, weil sie sofort auf Elektronen treffen. Um diese zerstörerische Annihilation zu verhindern, lenkte das Team um Gerald Gabrielse von der Northwestern University Positronen in ein Vakuum und bremste sie mithilfe von elektrischen und magnetischen Feldern ab. Schließlich gelang es den Wissenschaftlern, ein einzelnes Positron einzufangen und zum Stillstand zu bringen.
Ganz still stand das geladene Teilchen dabei allerdings nicht. Im Magnetfeld der Falle führt das Positron eine winzige Kreisbewegung aus. Wir haben das zunächst sehr schnelle Positron tatsächlich dazu gebracht, monatelang ruhig zu verharren und sich ordentlich zu benehmen
, erläutert Gerald Gabrielse. Dadurch wurde es möglich, mit dem einzelnen Teilchen zu experimentieren.
Mikrowellen und Quantenzustände im Experiment
Im Magnetfeld kann ein Positron keine beliebigen Kreisbahnen einnehmen. Es nimmt einen Grundzustand ein, in dem seine Bewegungsenergie den niedrigsten nach den Gesetzen der Quantenphysik möglichen Wert besitzt. Mit dem Einsatz von Mikrowellen gelang es dem Team, das Teilchen in angeregte Zustände mit energiereicheren Kreisbahnen zu überführen. Das Positron verhielt sich dabei exakt so, wie es die Physiker von einem Elektron erwartet hatten.
Die Suche nach dem magnetischen Moment des Positrons
Im nächsten Schritt wollen die Forscher das vom Positron erzeugte Magnetfeld messen. Da sich sowohl Elektronen als auch Positronen drehen, besitzen sie ein sogenanntes magnetisches Moment. Während dieses Moment beim Elektron inzwischen mit einer Genauigkeit von 1 zu 10 Billionen bekannt ist, planen die Wissenschaftler nun eine vergleichbar präzise Messung am Positron.
Das Standardmodell geht davon aus, dass beide Messungen identisch ausfallen werden. Sollten die Forscher jedoch einen Unterschied entdecken, wäre dies nach Angaben der beteiligten Physiker die größte Entdeckung in der Physik der letzten 100 Jahre.
