Physiker der Northwestern University haben ein einzelnes Positron, den Antimaterie-Zwilling des Elektrons, eingefangen und monatelang gehalten, während sie seine Quantenzustände Sprung für Sprung auslasen.
Die am 21. Oktober in Physical Review Letters veröffentlichte Arbeit beschreibt das erste „Ein-Positron-Quantenzyklotron". Gerald Gabrielse, Professor für Physik, leitete das Team; Thomas Myers, Doktorand in seinem Labor, ist Erstautor.
Warum Antimaterie schwer zu halten ist
Ein Positron verschwindet in dem Moment, in dem es auf gewöhnliche Materie trifft. Um eines zu untersuchen, muss es abgebremst, eingefangen und von jeder Oberfläche ferngehalten werden. Das Team sammelte bei radioaktivem Zerfall entstehende Positronen, bremste sie ab und lud ein einzelnes Teilchen in eine Penning-Falle: eine Anordnung elektrischer und magnetischer Felder in einer abgedichteten Vakuumkammer.
Das Laden dauert zwischen acht und elf Stunden. Einmal eingefangen, blieb das Teilchen monatelang – was wiederholte Messungen erst möglich macht.
Kalt genug, um Quantenschritte zu sehen
Ein Verdünnungskryostat kühlte die Falle auf etwa 300 Millikelvin, einen Bruchteil eines Grades über dem absoluten Nullpunkt. Bei dieser Temperatur fällt die Kreisbewegung des Positrons in ihr niedrigstes Quantenniveau, sodass jeder Schritt nach oben oder unten mit Mikrowellen angeregt und als kleine Frequenzverschiebung nachgewiesen werden kann.
Dieselbe Technik brauchte die Gruppe etwa 20 Jahre, um sie mit einem einzelnen Elektron zu perfektionieren. Mit Antimaterie kommt ein Problem hinzu: Das Vakuum muss gut genug sein, dass das Teilchen nie ein fremdes Atom berührt, und die Falle muss monatelang ohne Justierung stabil bleiben.
Die noch ausstehende Messung
Das magnetische Moment des Elektrons wurde auf etwa ein Zehntel Billionstel genau gemessen – eine der präzisesten Zahlen der Physik. Gabrielse plant nun dieselbe Messung für das Positron und dann einen direkten Vergleich.
Dieser Vergleich prüft die CPT-Symmetrie, die Regel, dass sich Materie und Antimaterie identisch verhalten sollten, wenn Ladung, Parität und Zeit umgekehrt werden. Würden sich die beiden magnetischen Momente unterscheiden, wiese die Differenz auf Physik jenseits des Standardmodells hin und könnte helfen zu erklären, warum das Universum aus Materie mit fast keiner übrig gebliebenen Antimaterie besteht.