Positronium mit dem Laser kühlen

Reguläre Atome bestehen aus Protonen, Neutronen und Elektronen. Daneben gibt es auch exotische Atome wie das sogenannte Positronium. Es besteht aus einem Elektron und seinem Gegenstück aus Antimaterie, einem Positron, die sich gegenseitig umkreisen. Um Positronium präzise erforschen zu können, darf es nicht zu schnell sein – was bei Teilchen bedeutet: nicht zu warm. Einer Forschungsgruppe ist es jetzt gelungen, Positronium mit Lasern zu kühlen. Im Fachmagazin „Nature“ berichten sie, wie bedeutend das für die Antimaterie-Forschung ist.

Temperatur ist nichts anderes als die Bewegung von Teilchen. Kühlen bedeutet also, dass die Teilchen langsamer werden müssen. Eine Methode, das zu erreichen: Forschende bestrahlenvdie entsprechenden Teilchen mit einem Laser. Wenn das Laserlicht ein Teilchen trifft, kann das Teilchen ein Photon aus dem Laserstrahl und seine Energie aufnehmen. Mit dem Photon wird auch ein Impuls übertragen. Kommt das Licht dabei aus der entgegengesetzten Richtung wie das Teilchen, bremst dieser Impuls das Teilchen ab – ähnlich wie zwei Kugeln, die nach einem Zusammenstoß liegen bleiben. Zwar gibt das Elektron die Energie nach kurzer Zeit wieder als Photon ab. Doch dessen Richtung ist zufällig, sodass dieser neue Impuls im Mittel über alle Teilchen keine Rolle spielt. Somit bremst der Laser das Teilchen und kühlt es ab.

Laserkühlung

Nun bewegen sich die Teilchen nicht alle in eine Richtung, sondern zufällig. Um sie insgesamt abzukühlen, darf das Laserlicht nur mit Teilchen interagieren, die sich ihm entgegen bewegen. Dazu nutzen die Forschenden den Doppler-Effekt: Je nach Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung hat das Laserlicht für die Teilchen eine andere Frequenz. Fliegt das Teilchen auf den Laser zu, nimmt es seine Frequenz etwas höher wahr. Teilchen können jedoch nur Photonen einer bestimmten Frequenz aufnehmen – ihrer sogenannten Resonanzfrequenz. Indem die Forschenden die Frequenz des Lasers etwas tiefer als die Resonanzfrequenz einstellen, können sie also dafür sorgen, dass fast nur Teilchen, die dem Laserlicht entgegenfliegen, seine Photonen aufnehmen können – und abgebremst werden.

Kenji Shu und seinem Team von der Universität Tokio ist es nun gelungen, diese bewährte Methode auf Positronium anzuwenden. Die Herausforderung Positronium ist extrem kurzlebig: Es existiert in der Regel nur für weniger als 200 Nanosekunden. Eine Nanosekunde ist eine milliardstel Sekunde. Das bedeutet: die Zeit zum Kühlen ist sehr knapp. Shu und sein Team konnten Positronium in dessenkurzen Lebensspanne von 327 Grad Celsius auf -273 Grad Celsius abkühlen, nur ein Grad über dem absoluten Nullpunkt. Dazu haben sie einen Laser verwendet, der 0,1 Nanosekunden dauernde Laserpulse abgibt.

Missverhältnis zwischen Materie und Antimaterie

Bei dieser Temperatur können die Forschenden Positronium genauer untersuchen als je zu vor. Mit diesem Durchbruch in Sachen exotischer Materie hoffen sie, der Antimaterie ihr Geheimnis zu entlocken. Denn um Antimaterie dreht sich eins der ungelösten Rätsel der Physik. Beim Urknall hätten eigentlich gleiche Mengen Materie und Antimaterie entstanden sein müssen – doch um uns herum befindet sich quasi nur Materie.

Darüber hinaus ist Positronium ein Zwischenschritt in der Herstellung von Antiwasserstoff. Damit könnte man erforschen, wie sich das Schwerefeld der Erde auf Antimaterie auswirkt. Falls sich Antimaterie durch Gravitation anders verhält als Materie, könnte das ein Hinweis darauf sein, warum so ein Missverhältnis zwischen Materie und Antimaterie im Universum herrscht.