Erste spektroskopische Analyse von Antiwasserstoff

Einem internationalen Team am Forschungszentrum CERN bei Genf ist es erstmals gelungen, Antiwasserstoff spektroskopisch zu untersuchen. Die Messungen der Physiker zeigen, dass sich der von ihnen analysierte Strahlungsübergang bei Antiwasserstoffatomen nicht von dem entsprechenden Übergang bei normalen Wasserstoffatomen unterscheidet. Die Frequenzen der Übergänge stimmen mit einer Genauigkeit von 2 × 10^-9 überein und bestätigen so die Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie, so die Wissenschaftler im Fachblatt „Nature“.

„Das Standardmodell der Teilchenphysik sagt voraus, dass Materie und Antimaterie beim Urknall in gleichen Mengen entstanden sein sollten“, schreiben Jeffrey Hangst von der Universität Aarhus in Dänemark und seine Kollegen. „Doch unser heutiges Universum besteht nahezu ausschließlich aus Materie.“ Die vom Standardmodell vorhergesagte Symmetrie von Materie und Antimaterie scheint also nicht perfekt zu sein – deshalb suchen die Physiker nach Unterschieden zwischen Wasserstoff und Antiwasserstoff.

Ein Eckpfeiler des Standardmodells ist die sogenannte CPT-Invarianz – C steht für das englische Charge – die Ladung –, P für Parity – die Parität oder räumliche Orientierung – und T für Time – Zeit. Kehrt man nun die Ladung, die Parität und die Zeitrichtung in einem System von Teilchen um, so laufen alle Vorgänge in dem System bis auf diese Spiegelung völlig identisch ab. Deshalb sollten sich nach dem Standardmodell Wasserstoffatome und Antiwasserstoffatome in ihren physikalischen Eigenschaften nicht voneinander unterscheiden.

Um diese Vorhersage zu überprüfen – oder Abweichungen davon aufzuspüren – benötigen die Forscher zunächst eine ausreichende Menge von Antiwasserstoffatomen. Während normaler Wasserstoff aus einem Proton besteht, das von einem Elektron umkreist wird, kreist beim Antiwasserstoff ein Positron um ein Antiproton. Im Jahr 2002 gelang es am CERN erstmalig, aus Antiprotonen und Positronen Antiwasserstoff herzustellen. Und erst seit wenigen Jahren ist es am ALPHA-Experiment am CERN möglich, diese Antiwasserstoffatome in ausreichender Zahl abzubremsen, mithilfe magnetischer Felder einzufangen und schließlich zu untersuchen.

Hangst und seine Kollegen sperrten nun im Mittel 14 Antiwasserstoffatome in einer 28 Zentimeter langen und 4,4 Zentimeter breiten Vakuumkammer ein. Anschließend regten sie die Atome mithilfe von Laserstrahlen an, sodass diese vom Grundzustand in einen mit einer Lebensdauer von einer achtel Sekunde metastabilen Zustand übergingen. Dieser Übergang eignet sich aufgrund der vergleichsweise langen Lebensdauer und der infolgedessen geringen Breite der damit verbundenen Spektrallinie besonders gut für solche Untersuchungen. Und tatsächlich stimmte die im Experiment bestimmte Strahlungsfrequenz des Übergangs im Rahmen der Messgenauigkeit mit jener überein, die man bei normalen Wasserstoffatomen misst.

Damit haben die Forscher einmal mehr das Standardmodell bestätigt – obwohl sie eigentlich nach einer Abweichung suchen, um den Überschuss an Materie im Kosmos zu erklären. Aber für Hangst und seine Kollegen ist das Experiment nur ein Anfang. Mit noch mehr Antiwasserstoffatomen hoffen die Physiker, künftig auch die Form der Spektrallinie dieses Übergangs untersuchen und so der CPT-Invarianz noch genauer auf den Zahn fühlen zu können.