Das Team des BASE-Experiments am CERN hat es geschafft, eine Wolke von 92 Antiprotonen in einer neuartigen Vorrichtung, einer transportablen kryogenen Penning-Falle, zu halten, die Vorrichtung dann von der Anlage zu trennen, sie auf einen LKW zu laden und das Experiment nach diesem Transportvorgang fortzusetzen. Das ist eine echte Meisterleistung: Antimaterie ist sehr schwer zu konservieren, da sie sich bei Kontakt mit Materie annihiliert.
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Diese Weltpremiere ist ein Test, das ultimative Ziel ist der Transport von Antiprotonen zu anderen Laboren in Europa, wie der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU), wo Messungen von sehr hoher Präzision der Eigenschaften von Antimaterie durchgeführt werden könnten.
Teilchen aus Antimaterie sind eine Kategorie von Teilchen, die in der Natur vorkommen, fast identisch mit Teilchen gewöhnlicher Materie, aber mit entgegengesetzten Ladungen und magnetischen Momenten. Den Gesetzen der Physik zufolge müssen Materie und Antimaterie beim Urknall in gleichen Mengen entstanden sein. Die Teilchen und Antiteilchen hätten sich schnell gegenseitig vernichten sollen und ein leeres Universum hinterlassen müssen.
Doch das Universum besteht hauptsächlich aus Materie: Diese Asymmetrie fasziniert Wissenschaftler seit Jahrzehnten und lässt sie vermuten, dass es unsichtbare Unterschiede gibt, die erklären könnten, warum die Materie blieb, während die Antimaterie fast vollständig verschwand.
Um Antimaterie besser zu verstehen, zielt das BASE-Experiment darauf ab, die Eigenschaften von Antiprotonen präzise zu messen, wie ihr intrinsisches magnetisches Moment, um diese Messungen dann mit denen von Protonen zu vergleichen. Aber es stößt auf eine Schwierigkeit: "Die Maschinen und Geräte in der Antimateriefabrik, in der das BASE-Experiment untergebracht ist, erzeugen Schwankungen im Magnetfeld, die die Präzision der Messungen begrenzen", erklärt Stefan Ulmer, Sprecher des BASE-Experiments.
LKW, der die BASE-STEP-Falle mit Antiprotonen transportiert (Bild: CERN)
"Diese Schwankungen sind winzig, in der Größenordnung eines Milliardstel Tesla, also 20.000 Mal schwächer als das Erdmagnetfeld; man kann sie außerhalb des Gebäudes nicht detektieren. Angesichts der extremen Präzision der Messungen, die das BASE-Experiment für ein feineres Verständnis der fundamentalen Eigenschaften von Antiprotonen durchführt, müssen wir das Experiment jedoch aus dem Gebäude herausholen", erklärt Stefan Ulmer.
Die Antimateriefabrik des CERN ist der einzige Ort auf der Welt, an dem Antiprotonen erzeugt, gespeichert und untersucht werden können. Zwei aufeinanderfolgende Abbremsringe, der Antiproton Decelerator (AD) und der Extra Low ENergy Antiproton (ELENA)-Ring, liefern niederenergetische Antiprotonen an mehrere Experimente: Je niedriger ihre Energie, desto leichter sind sie zu speichern und zu untersuchen.
Das BASE-Experiment, das den Rekord für die Speicherung von Antiprotonen hält (mehr als ein Jahr), hat eine innovative Methode erfunden, um den nächsten Schritt zu gehen: Antiprotonen in einem autarken Raum, außerhalb des Strahllinienbereichs, zu transportieren, um präzisere Forschung durchführen zu können und auch anderen Teams davon profitieren zu lassen. Dafür hat es die BASE-STEP-Falle entwickelt, die zum Speichern und Transportieren von Antiprotonen konzipiert ist.
"Das Ziel der BASE-STEP-Vorrichtung ist es, Antiprotonen einzufangen und sie in unseren Präzisionslaboren auszuliefern, in speziellen Räumen am CERN, an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, an der Leibniz Universität Hannover und vielleicht in anderen Laboren, die Messungen von sehr hoher Präzision an Antiprotonen durchführen können, was in der Antimateriefabrik leider nicht möglich ist", erklärt Christian Smorra, Leiter des BASE-STEP-Projekts. "Wir haben die Machbarkeit des Projekts im letzten Jahr mit Protonen validiert, aber was wir heute mit Antiprotonen erreicht haben, ist ein großer Schritt vorwärts auf dem Weg zur Verwirklichung unseres Ziels."
Die BASE-STEP-Falle ist klein genug, um auf einen LKW geladen und durch Standard-Labortüren gebracht werden zu können; sie ist auch in der Lage, Stöße und Vibrationen beim Transport zu verkraften. Die aktuelle Apparatur, die einen supraleitenden Magneten, ein kryogenes Kühlsystem mit flüssigem Helium, Energiequellen und eine Vakuumkammer umfasst, die die Antiteilchen mithilfe von magnetischen und elektrischen Feldern einfängt, wiegt 1.000 kg: Sie ist also deutlich kompakter als die BASE-Vorrichtung oder jedes andere System, das zur Untersuchung von Antimaterie verwendet wird.
"Bis zu unserem ersten Ziel, unserem Präzisionslabor an der Heinrich-Heine-Universität in Deutschland, würde es mindestens acht Stunden dauern", fährt Christian Smorra fort. "Das bedeutet, dass der supraleitende Magnet der Falle während dieser ganzen Zeit eine Temperatur unter 8,2 Kelvin halten müsste. Also bräuchten wir neben dem flüssigen Helium noch ein Stromaggregat, um einen kryogenen Kühlschrank im LKW zu betreiben. Wir prüfen derzeit die Möglichkeiten." Wie auch immer, die größte Herausforderung liegt am Zielort: die Antiprotonen zum Experiment zu transferieren, ohne dass sie verschwinden.
"Der Transport von Antimaterie ist ein innovatives und ehrgeiziges Unterfangen, und ich gratuliere der BASE-Kollaboration zu diesem bemerkenswerten Erfolg. Wir stehen am Anfang eines fantastischen wissenschaftlichen Abenteuers, das uns erlauben wird, unser Wissen ĂĽber Antimaterie zu vertiefen", schlieĂźt Gautier Hamel de Monchenault, Direktor fĂĽr Forschung und wissenschaftliches Rechnen am CERN.