Zum ersten Mal ist es gelungen, Antimaterie abzukühlen. Dies ermöglicht den genauen Vergleich mit der Materie

Wissenschaftlern, die am ALPHA-Experiment am CERN arbeiten, ist es erstmals gelungen, Antimaterie mit einem Laser zu kühlen. Die Errungenschaft öffnet den Weg zu einem besseren Verständnis der inneren Struktur von Antiwasserstoff und der Untersuchung, wie es sich unter dem Einfluss der Schwerkraft verhält.

Antiwasserstoff ist die einfachste Form der atomaren Antimaterie. Jetzt, da wir die Möglichkeit haben, sie zu kühlen, werden Wissenschaftler in der Lage sein, Vergleiche zwischen Antiwasserstoffatomen und Wasserstoffatomen anzustellen, wodurch wir die Unterschiede zwischen Antimaterie- und Materieatomen lernen können. Wenn wir diese möglichen Unterschiede finden, können wir besser verstehen, warum das Universum aus Materie besteht

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Dies ist ein kompletter Game Changer für spektroskopische und Gravitationsstudien und könnte sogar Licht auf die Antimaterieforschung werfen, wie z. B. die Erzeugung von Antimaterie-Molekülen und die Entwicklung der antiatomischen Interferometrie, sagt ALPHA-Experiment-Sprecher Jeffrey Hangst. Noch vor einem Jahrzehnt gehörte die Laserkühlung von Antimaterie in das Reich der Science-Fiction.

Im ALPHA-Experiment werden Antiwasserstoffatome durch Antiprotonen erzeugt, die im Antiprotonenverzögerer gewonnen werden. Sie werden mit Positronen kombiniert, deren Quelle Natrium-22 ist. Normalerweise werden die so gewonnenen Antiwasserstoffatome in einer magnetischen Falle eingesperrt, die ihren Kontakt mit Materie und ihre Vernichtung verhindert. In dieser Falle werden meist spektroskopische Untersuchungen durchgeführt, bei denen die Reaktion von Antiatomen auf den Einfluss einer elektromagnetischen Welle - Laserlicht oder Mikrowellen - gemessen wird. Die Genauigkeit solcher Messungen wird jedoch durch die kinetische Energie bzw. Temperatur der Antiatome begrenzt.

Hier kommt der Bedarf an Kühlung ins Spiel. Bei der Technik der Laserkühlung von Atomen werden diese mit einem Laser mit einer Photonenenergie beleuchtet, die etwas geringer ist als die Energie der Übergänge zwischen den Energieniveaus für ein bestimmtes Element. Die Photonen werden von den Atomen absorbiert, die dadurch auf ein höheres Energieniveau gelangen. Und sie treten aufgrund der Tatsache, dass die Photonen Energie Defizit benötigt, um den Übergang zwischen den Ebenen aus ihrer eigenen kinetischen Energie zu machen. Die Atome emittieren dann Photonen mit einer Energie, die genau der Energiedifferenz der Atomniveaus entspricht, und kehren spontan in ihren ursprünglichen Zustand zurück. Da die Energie des emittierten Photons etwas höher ist als die Energie des absorbierten Photons, führt der wiederholte Absorptions-Emissions-Zyklus zur Abkühlung des Atoms.

Bei den jüngsten Experimenten kühlten die ALPHA-Wissenschaftler eine Wolke von Antiwasserstoffatomen mit einem Laser über mehrere Stunden ab. Nach dieser Zeit stellten sie fest, dass die durchschnittliche kinetische Energie der Atome um mehr als das Zehnfache abnahm. Viele der Atome erreichten Energien unterhalb eines Mikroelektronenvolts, was einer Temperatur von etwa 0,012 Kelvin entspricht. Der Antiwasserstoff wurde dann spektroskopischen Untersuchungen unterzogen und es wurde festgestellt, dass die Kühlung zu einer Spektrallinie führte, die fast 4-mal schmaler war als bei den Untersuchungen ohne Laserkühlung.

Viele Jahre lang hatten Wissenschaftler Probleme mit der Laserkühlung von Wasserstoff, so dass allein der Gedanke an die Kühlung des Antiwasserstoffs Wahnsinn war. Jetzt können wir von noch mehr Wahnsinn mit Antimaterie träumen, sagt Makoto Fujiwara, der das obige Experiment vorgeschlagen hat.