Physiker fangen Antimaterie in Quantenfallen und entschlüsseln die Geheimnisse des Universums

Wenn der Urknall gleich viele Teilchen aus Materie und Antimaterie erschaffen hat, dann hätten sich alle existierenden Dinge vor Milliarden von Jahren gegenseitig annihilieren müssen. Doch unsere Welt existiert weiterhin. Derzeit haben Physiker der Northwestern University möglicherweise die Ursache gefunden. Ein Team unter der Leitung von Professor Gerald Gabrielse und seinem Doktoranden Thomas Myers hat ein einzelnes Positron (das Antiteilchen des Elektrons) eingefangen, gekühlt und in einen „extrem kontrollierbaren quantenmechanischen Zustand“ versetzt. Bemerkenswert ist, dass dies die erste Schaffung eines „Positronen-Quantenzyklotron-Accelerators“ ist.

Quantenkontrolle von Positronen

Gewöhnliche Materie besteht aus Elektronen, Protonen und Neutronen, während das Antimaterie-Universum aus Positronen, Antiprotonen und Antineutronen besteht. Die Forschung an Antimaterie ist jedoch äußerst kompliziert. Wenn ein Antimaterie-Teilchen mit gewöhnlicher Materie in Kontakt kommt, annihilieren sie sich in einem Augenblick und setzen Energie frei. Positronen können nicht in Behältern gelagert werden, da der Kontakt mit normaler Materie sie sofort zerstört. Daher erfordert die Untersuchung dieser Teilchen eine sorgfältige Handhabung, obwohl die verwendeten Mengen kein echtes Explosionsrisiko darstellen. Gabrielse erklärt: „Wenn wir Antimaterie untersuchen wollen, müssen wir vorsichtig sein. Um es klarzustellen, das ist nicht gefährlich.

Wir haben nicht genug Antimaterie, um eine Explosion zu erzeugen.“

Quantenkontrolle von Positronen

In dieser Studie haben die Physiker ein einzelnes Positron aus radioaktivem Zerfall eingefangen, es auf nahezu absolute Nulltemperatur gekühlt und es mit Hilfe von Magnetfeldern und elektrischen Feldern im Vakuum gefangen gehalten. Dieser Zustand schuf einen Positronen-Quantenzyklotron-Accelerator, der es dem Teilchen ermöglicht, wie ein „künstliches Atom“ zu funktionieren, dessen Energieniveaus präzise kontrolliert werden können, ohne mit normaler Materie in Kontakt zu kommen und eine Annihilation zu verursachen. In dieser Studie fingen die Forscher ein hochenergetisches Positron ein, das während des Zerfalls von Natrium-22 freigesetzt wurde, bremsten es ab und leiteten es in eine maßgeschneiderte elektromagnetische Falle.

Sobald es eingefangen war, wurde die Temperatur im Inneren auf eisige 300 Milli-Kelvin (nur 0,3 Grad über dem absoluten Nullpunkt) gesenkt. Das Positron schwebte in nahezu perfektem Vakuum und hatte nie Kontakt zu Wänden. Nachdem es von externen Störungen befreit wurde, stabilisierte es sich im niedrigsten Energieniveau und verhielt sich im Wesentlichen wie ein künstliches Atom, das die Wissenschaftler monatelang kontrollieren konnten. Gabrielse erklärt: „Wir haben es auf so niedrige Temperaturen gekühlt, dass es in den quantenmechanischen Grundzustand übergegangen ist. Wir haben tatsächlich dieses sehr schnelle Positron geleitet und es dort ruhen lassen, sodass es monatelang stabil bleibt.“

Auf der Suche nach Rissen im Modell

Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie suchen

Das Standardmodell beschreibt die grundlegenden Teilchen und drei der vier fundamentalen Kräfte des Universums, aber Physiker wissen, dass es unvollständig ist, da es nicht erklären kann, warum Materie die Antimaterie dominiert. Die Forscher der Northwestern University zeigen, wie sie präzise abgestimmte Mikrowellenpulse verwenden, um die einzelnen quantenmechanischen Übergänge des gefangenen Positrons auszulösen und zu beobachten. Dieses Maß an Kontrolle ermöglicht es, das magnetische Moment des Positrons extrem präzise zu messen, was die vorherigen Messungen des magnetischen Moments des Elektrons wiederholt und eine Genauigkeit von zehn Billionstel erreicht. Der Vergleich dieser beiden Messungen wird Physikern helfen, nach den winzigen Unterschieden zwischen Materie und Antimaterie zu suchen.

Gabrielse erklärt: „Die derzeitige Theorie besagt, dass es zwischen diesen beiden Messungen keinen Unterschied geben sollte. Wenn die Ergebnisse nicht gleich sind, wäre das die größte Entdeckung in der Physik des letzten Jahrhunderts.“

Wenn ein Unterschied zwischen diesen beiden Messungen festgestellt wird, könnte dies das Standardmodell infrage stellen und letztendlich Hinweise darauf liefern, warum Materie im Kampf des Universums siegt und unsere Existenz ermöglicht. Die Ergebnisse dieser Studie wurden am 21. Oktober in der Physical Review Letters veröffentlicht.

Einfluss der Positronenforschung auf die Physik

Diese Studie zeigt, wie Antimaterie unter extremen Bedingungen kontrolliert werden kann und eröffnet neue Forschungsrichtungen in der Physik. Die Quantenkontrolle von Positronen kann nicht nur unser Verständnis von Antimaterie vertiefen, sondern auch die Gründe aufdecken, warum Materie das Universum dominiert. Sollten die Messergebnisse Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie zeigen, würde dies eine Herausforderung für das bestehende Standardmodell darstellen und möglicherweise unser Verständnis der grundlegenden Struktur des Universums verändern. Diese Entdeckungen könnten nicht nur der Grundlagenforschung zugutekommen, sondern auch weitreichende Auswirkungen auf zukünftige technologische Anwendungen haben.