Antiwasserstoff spektroskopisch untersucht

Hat Anti­materie dieselben physi­kalischen Eigen­schaften wie Materie? Oder haben winzige Unter­schiede zwischen Teilchen und Anti­teilchen dazu geführt, dass es im Universum praktisch nur Materie gibt? Ein Präzisions­experiment mit Anti­wasser­stoff ist jetzt einer Antwort ein großes Stück näher gekommen.

Beim inter­nationalen Alpha-Experiment am CERN werden Anti­wasserstoff­atome erzeugt und eingehend untersucht. Die dafür nötigen Anti­protonen entstehen durch Paar­erzeugung. Nachdem sie stark abgebremst wurden, bringt man sie in einer Penning-Falle mit Posi­tronen zusammen. Fängt ein Antiproton ein Positron ein, so entsteht ein Anti­wasserstoff­atom, das von den elek­trischen und magne­tischen Feldern der Falle fest­gehalten wird.

Im Laufe der Jahre haben die Alpha-Forscher ihr Experiment stark verbessert, sodass sie jetzt bei jedem experi­mentellen Durchgang etwa 25.000 Anti­wasserstoff­atome produzieren. Antiatome mit einer kine­tischen Energie von weniger als 0,5 K bleiben in der Falle gefangen. Im Mittel sind das pro Durchgang 14, verglichen mit 1,2 vor einem Jahr. Da die Anti­atome mindesten 1000 Sekunden in der Falle verbleiben, kann man mit ihnen spektro­skopische Präzisions­messungen durchführen, wie man sie mit Wasser­stoff­atomen gemacht hat.

Jeff Hangst und seine Kollegen vom Alpha-Expe­riment haben für Anti­wasserstoff die Frequenz des 1s-2s-Übergangs mit bisher uner­reichter Präzision gemessen. Das Ergebnis stimmt mit einer relativen Genauig­keit von etwa 4×10^-10 mit der ent­sprechenden Übergangs­frequenz des Wasser­stoff­atoms über­einstimmt, die von Hänsch und seinen Mitar­beitern mit einer Genauig­keit von etwa 10^-15 gemessen worden war. Dabei konnten die Forscher allerdings auf eine wesent­lich größere Zahl von Atomen zurück­greifen.

Der 1s-2s-Übergang hat eine sehr lange Lebens­dauer von etwa 1/8 s. Deshalb ist seine Übergangs­frequenz, die bei 2,5×10¹⁵ Hz liegt, sehr scharf und auf wenige Hertz genau definiert. Mit einem ein Tesla starken Magnet­feld haben die Forscher die Hyper­fein­struktur des 1s- und des 2s-Niveaus aufgelöst. Da sich der Spin des Positrons und der Kernspin des Anti­protons jeweils parallel oder anti­parallel zum Magnetfeld ausrichten konnten, gab es insgesamt für jeden der beiden Zustände vier ver­schiedene Hyper­fein­zustände, die sich durch ihre Energie und ihr Verhalten im Magnet­feld von­einander unter­schieden.

Zeigte der Positron­spin gegen die Feld­richtung, so nahm die Energie des Antiatoms mit der Feldstärke zu unab­hängig von der Kernspin­richtung. In diesem Fall wich das Antiatom dem starken Feld aus und wurde in der Falle festhalten. Zeigte der Positron­spin hingegen in Feldrichtung – wobei die Kernspin­richtung wieder uner­heblich war –, so wurde das Antiatom in das starke Feld hinein­gezogen und konnte aus der Falle ent­weichen.

Mit zwei Laser­strahlen von 243 nm Wellenlänge, die die Falle gegen­läufig durch­querten, wurden die in der Falle fest­gehaltenen Anti­wasserstoff­atome durch Zwei-Photonen-Prozesse zum Übergang vom 1s- zum 2s-Zustand angeregt. An der Resonanz­frequenz wurden besonders viele Antiatome in den festge­haltenen Hyper­fein­zustand des 2s-Zustands befördert, aus dem sie dann jedoch durch Ein-Photon-Prozesse entweder ionisiert oder durch Umdrehen des Positron­spins in einen nicht festge­haltenen Hyperfein­zustand gebracht werden konnten. In beiden Fällen entwichen sie aus der Falle und verrieten sich durch sofortige Anni­hilierung mit Wasserstoff­atomen. Nach einer Wartezeit von 600 Sekunden schalteten die Forscher die Falle ab und stellten wiederum anhand der erfolgenden Annihi­lierung fest, wie viele Antiatome noch in ihr vorhanden gewesen waren.

Sodann verrin­gerten die Forscher die Frequenz der Laser­photonen um 200 kHz und über­prüften erneut, wie viele Anti­atome in der Falle verblieben oder durch Ionisierung und Spinflip aus ihr entwichen waren. Vom 1s-2s-Übergang des Wasser­stoffatoms her erwarteten sie, dass jetzt auch beim Anti­wasser­stoffatom keine Resonanz mehr auftreten sollte. Deshalb konnten auch praktisch keine Antiatome mehr in den 2s-Zustand gelangen, aus dem sie dann durch Ioni­sation oder Spinflip verloren gingen. Somit sollten nun fast alle Anti­atome in der Falle verbleiben. Die experi­mentellen Ergebnisse bestä­tigten diese Vorher­sagen völlig.

Damit haben die Forscher für den 1s-2s-Übergang gezeigt, dass Wasser­stoff- und Antiwasser­stoffatome mit einer relativen Genauig­keit von 4×10^-10 dieselbe Anregungs­frequenz haben. Die CPT-Inva­rianz, die der Symmetrie zwischen Materie und Anti­materie zugrunde liegt, ist demnach mit einer Genauig­keit von 2×10^-10 erfüllt. Als nächstes wollen Hangst und seine Kollegen das komplette Linien­profil des 1s-2s-Übergangs aufnehmen, von dem sie ja bisher nur die halbe Breite auf der nieder­frequenten Seite kennen. Doch jetzt macht das Alpha-Team erst einmal Weihnachts­pause.

Rainer Scharf

JOL