Ein einziges Antimaterieteilchen, kleiner als ein Atom, wurde mehrere Monate lang in einer Falle gehalten, ohne deren Wände zu berühren.
Es handelt sich um ein Positron, ein Teilchen, das dem Elektron fast identisch ist. Der Unterschied besteht in seiner elektrischen Ladung: Sie ist positiv, während die des Elektrons negativ ist. Das Positron ist ein Antimaterieteilchen, dessen Ladung der gewöhnlichen Materie entgegengesetzt ist.
Was ist der Unterschied zwischen Materie und Antimaterie?
Das Problem besteht darin, dass ein Positron nicht in einer gewöhnlichen Box aufbewahrt werden kann. Beim Kontakt mit einem Elektron verschwinden beide Teilchen und setzen Energie frei. Um es zu untersuchen, muss daher verhindert werden, dass es die Materie in seiner Umgebung berührt.
Physikerinnen und Physiker der Northwestern University in den Vereinigten Staaten haben eine Möglichkeit gefunden, dies zu erreichen. Sie erzeugten Positronen aus einer radioaktiven Substanz, bremsten eines davon ab und platzierten es anschließend in einem nahezu luftleeren Raum. Elektrische und magnetische Felder halten es schwebend, ohne Kontakt mit den Wänden.
Die Vorrichtung ist außerdem extrem kalt: Ihre Temperatur liegt nahe bei −273 °C, dem absoluten Nullpunkt. Unter diesen Bedingungen besitzt das Positron sehr wenig Energie. Es kann monatelang in seiner Falle bleiben, lange genug, um es präzise zu untersuchen.
Anschließend gelang es den Forschenden, seine Energie zu kontrollieren. Indem sie sorgfältig abgestimmte Mikrowellen darauf richteten, brachten sie es von einem Zustand in einen anderen und erfassten diese Veränderungen. Dieses Verhalten folgt den Regeln der Quantenphysik, die die kleinsten Teilchen beschreibt.
Warum so viel Aufwand für ein einziges Teilchen? Die Physikerinnen und Physiker wollen Elektron und Positron so präzise wie möglich vergleichen. Nach den derzeitigen Theorien müssen bestimmte Eigenschaften der beiden, etwa die Stärke ihres magnetischen Verhaltens, perfekt übereinstimmen – oder zumindest nahezu, wenn ihre entgegengesetzten Ladungen berücksichtigt werden.
Ein solcher Vergleich könnte helfen zu verstehen, warum unser Universum hauptsächlich aus Materie besteht, obwohl die Modelle seiner Frühzeit die Entstehung vergleichbarer Mengen von Materie und Antimaterie vorhersagen. Die entscheidenden Messungen wurden jedoch noch nicht durchgeführt: Das Team hat vor allem gezeigt, dass ihm nun die notwendige Ausrüstung zur Verfügung steht.
Bislang wurde daher kein unerwarteter Unterschied zwischen dem Elektron und seinem Antiteilchen entdeckt. Der Erfolg besteht darin, ein isoliertes, sehr kaltes und ausreichend gut kontrolliertes Positron aufbewahrt zu haben, um Experimente vorzubereiten, die bisher außerhalb der Reichweite lagen.