Physiker halten einzelnes Antiteilchen über Monate fest

Physiker an der Northwestern University haben ein einzelnes Positron, das Antimaterie-Gegenstück zum Elektron, eingefangen und in einer Penning-Falle auf seinen quantenmechanischen Grundzustand abgekühlt. Das Team nennt das Gerät ein "Ein-Positron-Quantenzyklotron", und das Teilchen blieb über Monate hinweg gefangen. Die Studie unter der Leitung von Gerald Gabrielse wurde am Mittwoch, den 21. Oktober, in Physical Review Letters veröffentlicht. Die Forscher wollen das Gerät nutzen, um das magnetische Moment des Positrons zu messen und es mit dem des Elektrons zu vergleichen. Ein solcher Vergleich würde eine grundlegende Symmetrie des Standardmodells testen.phys.org+2

Antimaterie ohne Wände einfangen

Die Positronen stammen aus radioaktivem Natrium-22, das sie mit Energien von bis zu 546 Kilo-Elektronenvolt emittiert. Die Falle wird bei 300 Millikelvin gehalten, was einer thermischen Energie entspricht, die mehr als 10 Größenordnungen niedriger ist. Die Positronen werden zunächst in einem Wolfram-Moderator abgebremst. Einige nehmen dann ein Elektron auf und bilden elektrisch neutrales Positronium, das durch eine 625 Mikrometer große Öffnung in den nahezu geschlossenen Mikrowellen-Hohlraum der Falle gelangen kann. Im Inneren zieht das elektrische Feld der Falle das Elektron ab, und das Positron bleibt zurück. Das Laden eines einzelnen Positrons dauert derzeit 8 bis 11 Stunden.physics.aps.org

"Wenn man Antimaterie festhalten will, muss man sie in einem Behälter ohne Wände aufbewahren", sagte Gabrielse gegenüber Scientific American. Das Team zeigte zudem, dass es mit abgestimmten Mikrowellen präzise Energiemengen hinzufügen und die individuellen Quantensprünge des Positrons detektieren konnte. Thomas Myers, ein Doktorand, ist der Erstautor der Arbeit.scientificamerican.com+1

Ein Spiegeltest für das Standardmodell

Gabrielses Gruppe hat bereits ein Ein-Elektron-Quantenzyklotron verwendet, um das magnetische Moment des Elektrons auf etwa ein Teil in 10 Billionen zu messen. Die Positronenmessung ist ins Hintertreffen geraten. Der beste Vergleich zwischen Elektron und Positron stammt noch immer aus einem Experiment von 1987, das ergab, dass die beiden g-Faktoren bis auf 2,1 Teile pro Billion gleich sind. Der Physiker Paolo Crivelli von der ETH Zürich schrieb, dass das neue Gerät den Weg für eine 30-fache Steigerung der Präzision bei Positronen ebne.phys.org+1

Unter der CPT-Symmetrie sollten ein Teilchen und sein Antiteilchen magnetische Momente haben, die in der Größe gleich und im Vorzeichen entgegengesetzt sind. Ein bestätigter Unterschied "würde die Grundlagen" der relativistischen Quantenfeldtheorie in Frage stellen, schrieb Crivelli. Es könnte auch helfen zu erklären, warum das Universum weitaus mehr Materie als Antimaterie enthält. Der Fermilab-Theoretiker Roni Harnik, der nicht an der Arbeit beteiligt war, nannte es "eine spannende Entwicklung, die es uns ermöglichen wird, eine grundlegende Symmetrie zu testen".physics.aps.org+1

"Aktuelle Theorien deuten darauf hin, dass es keinen Unterschied zwischen den beiden Messungen geben wird", sagte Gabrielse. "Sollte sich herausstellen, dass sie nicht gleich sind, wäre das die größte Entdeckung in der Physik des letzten Jahrhunderts".phys.org