Das Experiment, durchgeführt von der internationalen BASE-Kollaboration, bestand darin, ein Antiproton – das Antimaterie-Zwillingsteilchen des Protons – einzufangen und es fast eine Minute lang zwischen zwei Quantenzuständen oszillieren zu lassen. Mit anderen Worten: Die Wissenschaftler haben es geschafft, ein einzelnes Antimaterie-Teilchen so zu manipulieren, als wäre es eine winzige Schaukel, die perfekt kontrolliert zwischen zwei Positionen hin- und herschwingt.
Die Ankündigung wurde in der Zeitschrift Nature veröffentlicht und markiert einen Meilenstein. Bisher waren solche kohärenten Quantenübergänge nur in Teilchenensembles oder in gefangenen Ionen beobachtet worden, jedoch nie an einem einzelnen isolierten Antiproton.
Warum ist das wichtig? Weil Materie und Antimaterie sich laut Theorie exakt gleich verhalten sollten. Dennoch besteht das uns umgebende Universum fast vollständig aus Materie, während die Antimaterie nach dem Urknall praktisch verschwunden ist. Mit extrem hoher Präzision zu testen, ob Proton und Antiproton tatsächlich identisch sind, könnte daher die Existenz einer neuen Physik jenseits des aktuellen Modells aufdecken.
Konkret nutzte das Team ein fortschrittliches System elektromagnetischer Fallen. Diese Fallen ermöglichen es, ein einzelnes Antiproton einzufangen und lange genug zu halten, um es zu beobachten und zu manipulieren. Mithilfe einer Technik namens kohärente Spektroskopie konnten die Forscher den Spin-Zustand – eine quantenmechanische Eigenschaft, vergleichbar mit der Ausrichtung eines winzigen inneren Kompasses – fast 50 Sekunden lang verfolgen und steuern, eine Rekorddauer.
Um ein anschaulicheres Bild zu geben: Man kann sich das Antiproton wie ein Kind auf einer Schaukel vorstellen. Mit dem richtigen Impuls zum richtigen Zeitpunkt schwingt die Schaukel regelmäßig vor und zurück. Hier wird der "Schubs" durch perfekt abgestimmte elektromagnetische Felder gegeben, und die Schaukel ist nichts Geringeres als ein Antimaterie-Teilchen. Noch erstaunlicher: Solange man es nicht beobachtet, kann dieses Qubit (oder Anti-Qubit) gleichzeitig "oben" und "unten" sein – ein grundlegendes Prinzip der Quantenmechanik.
Dieser Durchbruch wird wohl nicht sofort zu technologischen Anwendungen führen, aber er ermöglicht es, die Eigenschaften von Materie und Antimaterie mit bisher unerreichter Präzision zu vergleichen. Das BASE-Experiment hat bereits gezeigt, dass das magnetische Moment des Protons und des Antiprotons bis auf wenige Milliardstel identisch sind. Mit diesem neuen Ergebnis könnte die Präzision um das Zehn- oder sogar Hundertfache gesteigert werden.
Der nächste Schritt? Ein Projekt namens BASE-STEP, das darauf abzielt, gefangene Antiprotonen in magnetisch stabilere Umgebungen zu transportieren als die der Antimaterie-Fabrik des CERN. Laut den Forschern könnte dies die Kohärenzzeit des Spins weiter verlängern und vielleicht neue subtile Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie aufdecken.