Die ALPHA Collaboration am CERN hat die ersten Messungen von bestimmten Quanteneffekten in der Energiestruktur von Antiwasserstoff bekanntgegeben, dem Antimaterie-Gegenstück von Wasserstoff. Es ist bekannt, dass diese Quanteneffekte in Materie existieren, und ihre Untersuchung könnte bislang unbeobachtete Unterschiede zwischen dem Verhalten von Materie und Antimaterie enthüllen.
Die Ergebnisse erschienen am 19. Februar 2020 im Journal Nature und zeigen, dass diese ersten Messungen mit theoretischen Voraussagen dieser Effekte in normalem Wasserstoff übereinstimmen. Sie ebnen den Weg für präzisere Messungen dieser und anderer grundlegender Eigenschaften.
„Die Entdeckung irgendwelcher Unterschiede zwischen diesen beiden Materieformen würde die Grundfeste des Standardmodells der Teilchenphysik erschüttern. Diese neuen Messungen untersuchen Aspekte der Wechselwirkung von Antimaterie (wie beispielsweise die Lamb-Verschiebung), auf deren Erforschung wir uns schon lange gefreut haben“, sagte Jeffrey Hangst, der Sprecher des ALPHA-Experiments.
„Als nächstes auf unserer Liste steht die Abkühlung großer Antiwasserstoffproben mittels moderner Laserkühlungstechnologien. Diese Techniken werden die Erforschung von Antimaterie verbessern und beispiellose hochpräzise Vergleiche zwischen Materie und Antimaterie erlauben“, ergänzte er.
Das ALPHA-Team erzeugt Antiwasserstoffatome, indem es Antiprotonen des Antiproton Decelerator an Antielektronen (Positronen genannt) bindet. Dann werden sie in einer magnetischen Falle in einem Ultrahochvakuum gefangen, was sie davon abhält, in Kontakt zu Materie zu geraten und sich mit ihr auszulöschen. Auf die gefangenen Atome wird dann Laserlicht gestrahlt, um ihre spektrale Reaktion zu messen.
Diese Technik hilft bei der Messung bekannter Quanteneffekte wie der sogenannten Feinstruktur und der Lamb-Verschiebung. Letztere entspricht winzigen Energiedifferenzen in bestimmten Energiezuständen des Atoms und wurde im Rahmen dieser Studie erstmals bei einem Antiwasserstoffatom gemessen. Das Team nutzte diesen Ansatz bereits früher, um andere Quanteneffekte beim Antiwasserstoff zu messen, zuletzt war es eine Messung des Lyman-Alpha-Übergangs.
Die Feinstruktur wurde in atomarem Wasserstoff vor mehr als einem Jahrhundert gemessen und legte den Grundstein für die Einführung einer fundamentalen Naturkonstanten, die die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen geladenen Elementarteilchen beschreibt. Die Lamb-Verschiebung wurde vor 70 Jahren in demselben System entdeckt und war ein Schlüsselelement für die Entwicklung der Quantenelektrodynamik – der Theorie, die die Interaktionen von Materie und Licht beschreibt.
Die Messung der Lamb-Verschiebung, die Willis Lamb im Jahr 1955 den Nobelpreis für Physik einbrachte, wurde im Jahr 1947 auf der berühmten Shelter Island Konferenz vorgestellt. Die Konferenz war für die Leiter der US-amerikanischen Physikgemeinschaft nach dem Krieg die erste wichtige Gelegenheit zur Versammlung.
(THK)
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