Eine vergleichsweise kleine, ringförmige Rennbahn für Teilchen am Forschungszentrum CERN bei Genf. In einer fußballfeldgroßen Experimentierhalle fliegen, hinter dicken Betonwänden, Antiprotonen im Kreis, also Wasserstoffatomkerne, die negativ statt positiv geladen sind. Und noch eine zweite Besonderheit: Die Teilchen werden nicht beschleunigt sondern abgebremst. Jeffrey Hangst von der dänischen Universität in Aarhus.
"Das hier ist der einzige Ort auf der Welt, wo man diese Art der Forschung machen kann. Normalerweise geht es am CERN um Teilchen mit extrem hohen Geschwindigkeiten, also Energien. Und in der Tat werden die Antiprotonen zunächst bei hohen Energien erzeugt. Für unsere Experimente aber wollen wir diese Teilchen zur Ruhe bringen und festhalten."
Alle 100 Sekunden kommt ein Schwarm aus 30 Millionen abgebremsten Antiprotonen aus dem Teilchenentschleuniger. Sie fliegen in einen Magneten von der Größe eines medizinischen Kernspintomografen. Darin befindet sich das sogenannte ALPHA Experiment, eine zylinderförmige Anordnung von Messgeräten, Kabeln und einer armdicke Röhre im Zentrum.
"Die Antiprotonen gehen durch diese Röhre, fliegen durch eine Folie, die sie stark abbremst. Dann gehen sie auf eine spiralförmige Bahn und kommen zu einer Stelle mit einer starken Spannung: fünf Kilovolt. Das ist dann wie eine Wand für sie, und sie springen zurück. Aber kurz bevor sie wieder zum Eingang hinausfliegen können, machen wir in dem Rohr eine magnetische Tür zu."
Die Teilchen sitzen also in der Falle. Derweil kommt in entgegengesetzter Richtung ein zweiter Teilchen-Strahl geflogen: Positronen, also positive Elektronen, die aus einer radioaktiven Natrium-22 Quelle stammen. Sie werden ebenfalls in der Falle festgehalten. Ein Bruchteil von ihnen vereinigt sich dann spontan mit den Antiprotonen zu Antiwasserstoff-Atomen. Antimaterie also: Wasserstoff wie wir ihn kennen, aber mit genau umgekehrter Ladung: ein negativer Kern, um den ein positives Teilchen kreist. Im Jahr 2010 ist Hangst und Kollegen dieses Kunststück erstmals gelungen.
"Es war eine sehr aufregende Zeit, die ich nie vergessen werde. Wir Physiker untersuchen ja das einfache Wasserstoffatom schon seit langem und mit immer größerer Präzision. Und jetzt, nach vielen, vielen Jahren der Forschung haben wir endlich das Antimaterie-Gegenstück dazu in der Hand. Daraus ergibt sich quasi eine moralische Verpflichtung, herauszufinden, ob es da einen Unterschied gibt. So eine Gelegenheit darf man sich nicht entgehen lassen."
Deshalb wollen Hangst und Kollegen herausfinden, ob es einen Unterschied zwischen Wasserstoff und Anti-Wasserstoff gibt. Das Verhältnis von Materie zu Antimaterie ist eines der größten Rätsel der Physik. Nach der Urknall-Theorie gab es am Anfang des Universums zunächst sehr viel Energie auf kleinem Raum. Daraus sind dann Materie und Anti-Materie in gleicher Menge entstanden. Doch im weiteren Verlauf des Universums ist dann fast nur noch Materie übrig geblieben. Und niemand weiß warum.
"Es hat in der letzten Zeit so einiges Gerede gegeben. Das Higgs sei das letzte Teilchen des Weltpuzzles gewesen. Das war es nicht! Wir können bis heute nicht erklären, warum es diese Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie gibt. Und in gewisser Weise verstehen wir viel weniger, als wir noch vor 20 Jahren glauben zu verstehen."
Immerhin gibt es kleine Fortschritte: Hangst und Kollegen haben im vergangenen Frühjahr erstmals eine Messung an Antiwasserstoff gemacht, mit Mikrowellen. In Zukunft wollen sie auch mit Laserlicht arbeiten, weil sich damit noch genauere Untersuchungen möglich werden. Dafür aber ist es nötig, das Experiment komplett neu auf zubauen. Die wichtigsten Bestandteile des ALPHA-2-Experiments haben die Physiker in den vergangenen Wochen zusammengestellt und erstmals testen können.
Aber ab 2013 wird es in der Antimaterie-Halle am Forschungszentrum CERN ein wenig ruhiger zugehen: Der große Beschleuniger LHC produziert ab sofort keine Antiprotonen mehr. Und im Februar wird er dann ganz abgeschaltet. Für eine 20-monatige Wartungspause.
"Das hier ist der einzige Ort auf der Welt, wo man diese Art der Forschung machen kann. Normalerweise geht es am CERN um Teilchen mit extrem hohen Geschwindigkeiten, also Energien. Und in der Tat werden die Antiprotonen zunächst bei hohen Energien erzeugt. Für unsere Experimente aber wollen wir diese Teilchen zur Ruhe bringen und festhalten."
Alle 100 Sekunden kommt ein Schwarm aus 30 Millionen abgebremsten Antiprotonen aus dem Teilchenentschleuniger. Sie fliegen in einen Magneten von der Größe eines medizinischen Kernspintomografen. Darin befindet sich das sogenannte ALPHA Experiment, eine zylinderförmige Anordnung von Messgeräten, Kabeln und einer armdicke Röhre im Zentrum.
"Die Antiprotonen gehen durch diese Röhre, fliegen durch eine Folie, die sie stark abbremst. Dann gehen sie auf eine spiralförmige Bahn und kommen zu einer Stelle mit einer starken Spannung: fünf Kilovolt. Das ist dann wie eine Wand für sie, und sie springen zurück. Aber kurz bevor sie wieder zum Eingang hinausfliegen können, machen wir in dem Rohr eine magnetische Tür zu."
Die Teilchen sitzen also in der Falle. Derweil kommt in entgegengesetzter Richtung ein zweiter Teilchen-Strahl geflogen: Positronen, also positive Elektronen, die aus einer radioaktiven Natrium-22 Quelle stammen. Sie werden ebenfalls in der Falle festgehalten. Ein Bruchteil von ihnen vereinigt sich dann spontan mit den Antiprotonen zu Antiwasserstoff-Atomen. Antimaterie also: Wasserstoff wie wir ihn kennen, aber mit genau umgekehrter Ladung: ein negativer Kern, um den ein positives Teilchen kreist. Im Jahr 2010 ist Hangst und Kollegen dieses Kunststück erstmals gelungen.
"Es war eine sehr aufregende Zeit, die ich nie vergessen werde. Wir Physiker untersuchen ja das einfache Wasserstoffatom schon seit langem und mit immer größerer Präzision. Und jetzt, nach vielen, vielen Jahren der Forschung haben wir endlich das Antimaterie-Gegenstück dazu in der Hand. Daraus ergibt sich quasi eine moralische Verpflichtung, herauszufinden, ob es da einen Unterschied gibt. So eine Gelegenheit darf man sich nicht entgehen lassen."
Deshalb wollen Hangst und Kollegen herausfinden, ob es einen Unterschied zwischen Wasserstoff und Anti-Wasserstoff gibt. Das Verhältnis von Materie zu Antimaterie ist eines der größten Rätsel der Physik. Nach der Urknall-Theorie gab es am Anfang des Universums zunächst sehr viel Energie auf kleinem Raum. Daraus sind dann Materie und Anti-Materie in gleicher Menge entstanden. Doch im weiteren Verlauf des Universums ist dann fast nur noch Materie übrig geblieben. Und niemand weiß warum.
"Es hat in der letzten Zeit so einiges Gerede gegeben. Das Higgs sei das letzte Teilchen des Weltpuzzles gewesen. Das war es nicht! Wir können bis heute nicht erklären, warum es diese Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie gibt. Und in gewisser Weise verstehen wir viel weniger, als wir noch vor 20 Jahren glauben zu verstehen."
Immerhin gibt es kleine Fortschritte: Hangst und Kollegen haben im vergangenen Frühjahr erstmals eine Messung an Antiwasserstoff gemacht, mit Mikrowellen. In Zukunft wollen sie auch mit Laserlicht arbeiten, weil sich damit noch genauere Untersuchungen möglich werden. Dafür aber ist es nötig, das Experiment komplett neu auf zubauen. Die wichtigsten Bestandteile des ALPHA-2-Experiments haben die Physiker in den vergangenen Wochen zusammengestellt und erstmals testen können.
Aber ab 2013 wird es in der Antimaterie-Halle am Forschungszentrum CERN ein wenig ruhiger zugehen: Der große Beschleuniger LHC produziert ab sofort keine Antiprotonen mehr. Und im Februar wird er dann ganz abgeschaltet. Für eine 20-monatige Wartungspause.