WIE LEICHT ENTSTEHT ANTIMATERIE?

Fällt Antimaterie wie gewöhnliche Materie? Experimente am Antiprotonen-Entschleuniger des CERN, AD/ELENA, prüfen die grundlegenden Symmetrien der Physik mit Antiwasserstoff: einem Antiproton, gebunden an ein Positron, dem Spiegelbild des Wasserstoffatoms. Darunter ist GBAR — „Gravitational Behaviour of Antimatter at Rest“ — dafür gebaut, zu messen, wie schnell Antiwasserstoff im Schwerefeld der Erde beschleunigt.

GBARs Weg ist ungewöhnlich. Andere Experimente setzen Antiwasserstoff zusammen, indem sie Antiprotonen und Positronen in einer Falle mischen. GBAR plant stattdessen zwei Schritte des Ladungsaustauschs mit Positronium (Ps), einem exotischen Atom aus einem Elektron und einem Positron:

1. p̄ + Ps → H̄ + e⁻: Ein Antiproton schnappt sich das Positron und wird zu Antiwasserstoff;
2. H̄ + Ps → H̄⁺ + e⁻: Antiwasserstoff schnappt sich ein zweites Positron und wird zu einem positiven Ion.

Dieses Ion lässt sich mit Berylliumionen kühlen, dann entfernt ein Laser das überzählige Positron, und zurück bleiben Antiwasserstoffatome bei etwa 10 Mikrokelvin — kalt genug für ein Freifallexperiment.

Die Wahrscheinlichkeit kennen

Die Kollaboration hatte 2023 bereits gezeigt, dass Schritt 1 mit Positronium im Grundzustand funktioniert. Sie konnte aber nicht sagen, wie wahrscheinlich die Reaktion ist — eine Größe, die Physiker Wirkungsquerschnitt nennen: die effektive Zielfläche, die ein Antiproton treffen muss. Ohne sie kann niemand vorhersagen, wie viele Atome das vollständige Experiment liefern wird.

Die entsprechende Reaktion mit gewöhnlicher Materie — ein Proton, das ein Positron aufnimmt und zu Wasserstoff wird — war nur ein einziges Mal gemessen worden, von Merrison und Kollegen 1997, zwischen 11 und 16 Kiloelektronvolt.

Zwei Strahlen in einem winzigen Hohlraum

Seit 2023 hat das Team seine Produktionsrate verzehnfacht. Auf der einen Seite werden Positronen aus einem kleinen Beschleuniger in Fallen gestapelt: etwa 300 Millionen zwischen zwei Antiprotonenschüssen, alle zwei Minuten. Rund 100 Millionen erreichen einen Hohlraum von etwa 2 Millimetern Breite und 2 Zentimetern Länge, ausgekleidet mit porösem Siliziumdioxid, das einige von ihnen in Positronium umwandelt. Jeder Schuss hinterlässt eine halb eingeschlossene Wolke von etwa 6 Millionen Positroniumatomen.

Auf der anderen Seite liefert ELENA Pakete von 12 Millionen Antiprotonen. GBAR bremst sie ab, fängt sie ein, kühlt sie mit Elektronen und schießt dann Pakete von 5–6 Millionen mit 4 oder 6 Kiloelektronvolt durch den Hohlraum, zeitlich so abgestimmt, dass sie die Positroniumwolke durchqueren. Entstandener Antiwasserstoff ist elektrisch neutral: Er fliegt geradeaus weiter zu einem Detektor 1,6 Meter stromabwärts, während übrig gebliebene Antiprotonen abgelenkt werden.

Hunderte Antiatome, eine Zahl

Durch den Vergleich Tausender Schüsse mit und ohne Positronen zählte der Detektor 379 ± 35 Antiwasserstoffatome bei 6 keV und 69 ± 19 bei 4 keV — nach Korrektur für die Detektoreffizienz etwa 392 und 71. Zusammen mit sorgfältigen Zählungen der beteiligten Antiprotonen und Positroniumatome sowie der Frage, wie gut sich die beiden Pulse räumlich und zeitlich überlappten, ergibt das den Wirkungsquerschnitt:

• (14,1 ± 1,3) × 10⁻¹⁶ cm² bei 6,2 keV;
• (8,7 ± 2,4) × 10⁻¹⁶ cm² bei 4,15 keV (statistische Unsicherheiten; die systematischen sind in der Arbeit gesondert aufgeführt).

Es ist die erste Messung eines Ladungsaustausch-Wirkungsquerschnitts mit Antiprotonenstrahlen, mit kleineren Unsicherheiten als die Messung von 1997 mit gewöhnlicher Materie.

Die Theorie besteht den Test

Frühe Rechnungen auf Basis der sogenannten Bornschen Näherung widersprachen einander — nicht überraschend, merken die Autoren an, da die Stoßenergie im Schwerpunktsystem bei 6 keV nur etwa 6,5 Elektronvolt beträgt. Zwei moderne Methoden lösen das vollständige Quantenproblem dreier Körper: die Convergent-Close-Coupling-Methode und die Faddeev-Merkuriev-Gleichungen. Sie stimmen miteinander überein und zeigen, so das Team, eine „exzellente Übereinstimmung“ mit den neuen Daten.

Als Nächstes: das Ion, dann der Fall

Ein Test der Schwerkraft ist das noch nicht. GBARs nächster Schritt ist die Messung der zweiten Reaktion, die das Antiwasserstoff-Ion aufbaut, beginnend mit ihrem Gegenstück aus gewöhnlicher Materie mit negativen Wasserstoffionen von ELENA. Zusammen werden die beiden Raten festlegen, wie viele ultrakalte Atome das Experiment fallen lassen kann — und damit, wie genau es wird sagen können, ob Antimaterie wie Materie fällt.