Transport von Antimaterie - Was die Forschung damit bezweckt – der Projektleiter erklärt

Am europäischen Kernforschungszentrum (Cern) in Genf ist zum ersten Mal Antimaterie in einem Lastwagen transportiert worden. Warum dies aussergewöhnlich ist und wofür das gut sein soll, erklärt Projektleiter und Physiker Stefan Ulmer.

Prof. Dr. Stefan Ulmer

Physiker und Wissenschaftler

Prof. Dr. Stefan Ulmer ist Wissenschaftler und Physiker. Er macht hochpräzise Messungen an Antimaterie-Systemen in der BASE-Kollaboration bei der Europäischen Organisation für Kernforschung (Cern) in Genf.

Bildquelle: Cern

SRF News: Ihnen ist mit dem Transport von Antimaterie eine Weltpremiere gelungen. Wie fühlen Sie sich?

Stefan Ulmer: Um ehrlich zu sein: sehr gut. Wir haben auf diesen Tag sechs Jahre lang hingearbeitet und der Transport war ein Erfolg. Es herrscht keine Katerstimmung. Es ist vielmehr ein hoffnungsvoller Ausblick auf zukünftige Messungen.

Was ist Antimaterie und wie wird sie hergestellt?

Antimaterie ist das Gegenstück zur Materie. Während normale Materie aus Teilchen wie Elektronen und Protonen besteht, besteht Antimaterie aus Antiteilchen, die die gleichen Eigenschaften haben, aber entgegengesetzte Ladungen. Ein Elektron mit negativer Ladung hat als Antiteilchen das Positron, das eine positive Ladung hat. Ein Proton mit positiver Ladung hat als Antiteilchen ein Antiproton, das eine negative Ladung trägt.

Antimaterie wird mit einem starken Teilchenbeschleuniger hergestellt. Im Teilchenbeschleuniger am Cern werden Protonen beschleunigt und anschliessend auf einen Metallblock geschossen. Bei diesen Kollisionen entstehen Protonen und deren Gegenstücke, Antiprotonen. Diese Paare würden sich sofort wieder gegenseitig auslöschen, würde man sie nicht mit Magneten voneinander trennen.

Was haben Sie und Ihr Team bei dieser Weltpremiere ganz konkret gemacht?

Wir haben Antiprotonen in einer transportablen Penning-Falle gespeichert und bewegt. Die Penning-Falle ist ein grosser elektromagnetischer Container. Er ist batteriebetrieben und gefüllt mit Kryoflüssigkeiten bei -268 Grad Celsius. Einen solchen Container von seinem Installationsort loszueisen, an einen Kran zu hängen, auf einen Laster zu packen, zu transportieren und wieder anzuschliessen, ist ein Haufen Arbeit.

Verladen werden eine Penning-Falle mit 92 Antiprotonen und ein supraleitender Magnet, der die Teilchen in einem Vakuum bei -268 Grad in Position hält.

Cern

Inwiefern ist der Transport von Antimaterie ein Meilenstein?

Für uns ist dieser Antimaterie-Transport weniger ein Kulminationspunkt als vielmehr ein Startpunkt, um neues Terrain zu betreten. Wir schauen uns Antimaterie sehr genau an und messen ihre fundamentalen Eigenschaften, beispielsweise die Masse von Antiprotonen mit einer Genauigkeit von elf Nachkommastellen. Genauer können wir aber am Cern nicht messen. Der Grund ist, dass die Beschleunigerstrukturen unsere Massenmessungen in ihrer Auflösung begrenzen. Man kann sich das vorstellen wie bei einem Mikroskop: Sie schauen sich eine Probe an, aber währenddessen wackelt die Probe die ganze Zeit ganz leicht. Dadurch wird das Bild unscharf.

Es ist unsere Motivation, dem Rätsel der Materie-Antimaterie-Asymmetrie auf die Spur zu kommen.

Mit dem Transport bringen wir die Antimaterie jetzt in ein Labor, in dem wir viel präziser messen können. Viel präziser als hier am Cern, wo der Beschleuniger unsere Bilder verwackelt. So können wir hundert oder sogar tausendmal schärfer messen und die Antimaterie damit noch besser verstehen. Das ist die Physik-Motivation hinter dem Transport.

Warum ist Antimaterie eigentlich von Bedeutung?

Am Anfang unserer Experimente steht die grosse Frage: Warum existieren wir in der Art und Weise, wie wir es tun? Wenn wir das Standardmodell der Teilchenphysik mit dem Urknallmodell zusammendenken und ausrechnen, wie unser Universum auszusehen hat, würden wir zur Schlussfolgerung kommen, es müsste genauso viel Materie wie Antimaterie geben.

Die Physik, die wir heutzutage kennen und verstehen, hat ganz viele offene Fragen.

Das Universum besteht aber fast ausschliesslich aus Materie, die Antimaterie ist verschwunden. Die Tatsache, dass Antimaterie einfach nicht mehr existent ist, ist bis heute unverstanden. Es ist unsere Motivation, dieser Materie-Antimaterie-Asymmetrie auf die Spur zu kommen.

Warum gibt es einen Überschuss an Materie?

Eine mögliche Erklärung, die in der modernen Physik diskutiert wird, ist, dass es während des Urknalls einen winzigen Überschuss an Materie gegeben hat. Diese winzige Asymmetrie führte dazu, dass nach der Vernichtung von Materie und Antimaterie ein kleiner Überschuss an Materie übrig blieb. Diese übrig gebliebene Materie formte dann alles, was wir heute im Universum sehen – von den Sternen und Planeten bis zu den Lebewesen auf der Erde. Diese Erklärung ist jedoch noch nicht vollständig bewiesen, und die genaue Ursache dieser Asymmetrie ist nach wie vor ein aktives Forschungsgebiet in der Teilchenphysik.

Welche Antworten erhoffen Sie sich nun von diesem Durchbruch beim Transport der Antimaterie per Lkw?

Wir erhoffen uns durch eine genaue Spektroskopie der Antimaterie etwas darüber zu lernen, warum es diese Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie gibt. Es ist so, dass die Physik, die wir heutzutage kennen und verstehen, letzten Endes mit Materie erschlossen ist. Und diese Physik hat ganz viele offene Fragen.

Das Standardmodell ist die beste Theorie, die wir haben, aber es ist unvollständig. Als Probe, um nach neuer Physik zu suchen, nehmen wir jetzt die verschwundene Substanz, also Antimaterie, und gucken, ob wir etwas Neues entdecken können.

Das Gespräch führte Reena Thelly.