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Erste Laserkühlung von Antimaterie

Erzeugung ultrakalten Antiwasserstoffs leitet neue Ära der Antimaterieforschung ein

Laserkühlung
Mithilfe eines Laserstrahls haben Physiker erstmals die Eigenbewegung von Antiwasserstoff-Atomen abgebremst und die Antimaterie so heruntergekühlt. Diese Illustration verdeutlicht die Bewegungsspuren der Antiatome vor (grau) und nach dem Laserkühlen (weißbläulich) © Chukman So/ TRIUMF

Eiskalter Durchbruch: Physiker haben erstmals Antimaterie-Atome auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt. Möglich wurde dies durch eine spezielle Laserkühlung, bei der Laserpulse die Eigenbewegung von Antiwasserstoff in einer Magnetfalle abbremsten. Die Erzeugung ultrakalter Antimaterie könnte ganz neue Experimente ermöglichen und dazu beitragen, Grundfragen der Physik zu klären, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature“ erklären.

Das Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie im Universum ist die Voraussetzung für unsere Existenz – und gleichzeitig eines der größten Rätsel der Physik. Denn bisher ist unbekannt, warum nach dem Urknall die Materie die Oberhand gewann. Bisherige Tests ergaben, dass sich Antimaterie-Teilchen wie Positronen oder der Anti-Wasserstoff in Grundeigenschaften wie der starken Kernkraft, dem Magnetverhalten oder dem Spektrum nicht von ihren „normalen“ Gegenparts unterscheiden.

Allerdings sind Versuche mit Antimaterie extrem aufwändig, weil diese nur in speziellen Magnetfallen kurze Zeit stabil bleibt. Zudem sind viele Tests nur mit ultrakalten, sich wenig bewegenden Antiatomen möglich – aber bisher fehlte eine Methode, um die Antimaterie ausreichend herunterzukühlen. „Die Erzeugung von Antiwasserstoff mit den geringstmöglichen kinetischen Energien ist daher ein wichtiges Ziel“, erklären Jeffrey Hangst von der Universität Aarhus und seine Kollegen von der ALPHA-Kollaboration am Forschungszentrum CERN.

ALPHA-Experiment
Jeffrey Hangst, Sprecher der ALPHA-Kollaboration, in der ALPHA-Anlage am CERN. © Maximilien Brice, Julien Ordan/ CERN

Energieübergang hilft beim Kühlen

Dieses Ziel könnte die ALPHA-Kollaboration nun erreicht haben. Denn den Physikern ist es erstmals gelungen, Antiwasserstoff-Atome mittels Laserkühlung deutlich herunterzukühlen. Bei dieser Methode setzt man Laserstrahlen ein, um die Eigenbewegung von Atomen abzubremsen. Stimmen Richtung und Frequenz des Lasers, bremsen seine Photonen die Eigenbewegung der Atome ab. Dadurch werden sie bis knapp über den absoluten Nullpunkt heruntergekühlt und stehen fast still.

Um jedoch Antiwasserstoff mit dieser Methode abzukühlen, mussten die Physiker bei diesem zunächst den sogenannten Lyman-Alpha-Übergang auslösen. Dabei springt das Positron des Antiatoms vom Energieniveau 1S auf das nächsthöhere 2P-Niveau und gibt beim Zurückfallen ein UV-Photon von 121,6 Nanometer Wellenlänge ab. Dadurch fällt der Antiwasserstoff in den energiearmen Grundzustand zurück.

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Auf weniger als ein Zehntel abgebremst

Für ihr aktuelles Experiment hat das Forscherteam zunächst rund 1.000 Antiwasserstoff-Atome in der ALPHA-2-Anlage am CERN erzeugt. Diese wurden mit einem gepulsten Laserstrahl von etwas mehr als 121,6 Nanometer Wellenlänge beschossen. Weil sich diese Wellenlänge für die auf den Laser zu bewegenden Antiatome durch den Doppler-Effekt verkürzte, wurden sie selektiv zum Energieübergang und die darauffolgende Kühlung durch die Photonabgabe gebracht.

Dass die Laserkühlung gelungen war, zeigte sich unter anderem an Spektralmessungen des Antiwasserstoffs: Je weniger stark sich die Atome bewegten, desto schmaler wurde die Spektrallinie des Lyman-Alpha-Übergangs. Aus diesen und weiteren Messdaten ermittelten die Forscher, dass sich die Energie der Antiwasserstoff-Atome im Schnitt von 15,1 Mikroelektronenvolt auf 1,3 Mikroelektronenvolt verringert hatte. „Das entspricht mehr als einer Größenordnung“, so Hangst und sein Team.

Noch ist diese Antimaterie-Laserkühlung weniger effektiv als ihr Gegenstück für normale Atome. Das Forschungsteam ist aber bereits dabei, den Laser der ALPHA-Anlage so umzubauen, dass Antiwasserstoff künftig noch weiter heruntergekühlt werden kann.

„Weitreichende Bedeutung“

„Die Demonstration der Laserkühlung für Antimaterie hat sowohl unmittelbare als auch weitreichende Bedeutung“, erklären Hangst und seine Kollegen. Denn die Erzeugung ultrakalter Antimaterie erlaubt es nun, einige ihrer fundamentalen Eigenschaften weit präziser als zuvor zu messen. Dazu gehört die Feinstruktur der Spektren, die unter anderem Aufschluss über die Gültigkeit grundlegender Naturkonstanten bei Antimaterie geben kann.

Aber auch die Wirkung der Gravitation auf Antimaterie kann mit ultrakalten Antiatomen besser getestet werden. „Die Fähigkeit, die Bewegung von Antimaterie-Atomen mit Laserlicht zu kontrollieren, kann darüber hinaus bahnbrechende Möglichkeiten für künftige Experimente wie Antiatom-Fontänen, die Antiatom-Interferometrie oder die Erzeugung von Antimaterie-Molekülen schaffen“, konstatieren die Physiker. (Nature, 2021; doi: 10.1038/s41586-021-03289-6)

Quelle: Nature, CNRS

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