Ein Molekül aus Elektronen und Positronen

John Archibald Wheeler hatte es bereits vor 60 Jahren vermutet. Aber erst kürzlich gelang es Forschern aus Kalifornien, das Molekül Dipositronium herzustellen.

Ein Elektron und sein Antiteilchen, das Positron, können sich zu einem wasserstoffähnlichen Atom verbinden. Dieses metastabile Positronium (Ps) sollte, ähnlich dem Wasserstoff, Moleküle bilden können. Das hatte schon John Archibald Wheeler vor 60 Jahren vermutet. Jetzt sind erstmals Dipositronium-Moleküle hergestellt und indirekt nachgewiesen worden.

Um die Ps ₂-Moleküle zu erzeugen, sind David Cassidy und Alan Mills von der University of California in San Diego schrittweise vorgegangen. Zunächst haben sie Positronen aus einer ²²Na-Quelle mit elektrischen und magnetischen Feldern eingefangen und durch Kollisionen mit Stickstoffatomen abgebremst. Die Positronen wurden in einem Akkumulator gesammelt und in einzelnen Pulsen herausgelassen, die jeweils ca. 10 Millionen Teilchen enthielten. Die weniger als eine Nanosekunde langen Pulse trafen auf eine 230 nm dünne poröse Silikaschicht.

In der Schicht erlitten die Positronen unterschiedliche Schicksale. So konnte ein Positron auf ein Elektron treffen und mit ihm zu zwei oder drei Photonen zerstrahlen. Elektron und Positron konnten aber auch ein Positronium bilden. Standen die Spins der beiden Teilchen in entgegen gesetzte Richtung, so handelte es sich um das kurzlebige Parapositronium (p-Ps), das schon nach 0,125 ns zerstrahlte. Zeigten der Elektron- und der Positronspin in dieselbe Richtung, so lag das langlebige Orthopositronium (o-Ps) vor, das eine Lebensdauer von 142 ns hatte. In dieser Zeit konnte ein o-Ps-Atom durch rund 10.000 der etwa 4 nm großen Poren der Silikaschicht diffundieren. Dabei traf es auf viele andere o-Ps-Atome.

Bei solch einem Zusammentreffen zweier o-Ps-Atome konnten die Teilchenspins relaxieren und es entstanden zwei p-Ps-Atome, die in weniger als einer Nanosekunde zerstrahlten. Es konnten sich zwei o-Ps-Atome aber auch zu einem Ps ₂-Molekül verbinden. Aus Gründen der Impulserhaltung mussten die o-Ps-Atome dazu auf der Oberfläche einer Pore absorbiert sein. Die Ps ₂-Moleküle zerstrahlten dann ebenfalls in weniger als einer Nanosekunde. Die Forscher registrierten zeitaufgelöst die gesamte Annihilationsstrahlung, die von einem Positronenpuls verursacht wurde. Dadurch konnten sie verfolgen, wie die Ps-Atome entstanden und miteinander reagierten. Anhand des Strahlungssignals ließ sich jedoch nicht unterscheiden, ob sich die o-Ps-Atome vor ihrer Zerstrahlung zu Ps ₂-Molekülen verbunden hatten oder ob es nur zu einer Spinrelaxation gekommen war.

Um diese beiden Prozesse zu unterscheiden, variierten die Forscher die Temperatur der Silikaschicht zwischen 200 K und 500 K und schauten nach, wie sich das Strahlungssignal veränderte. Da mit steigender Temperatur immer mehr Ps-Atome von der Silikaoberfläche desorbierten und nicht mehr miteinander zu Ps ₂-Molekülen reagieren konnten, musste die Zahl der entstehenden Moleküle abnehmen. Das von der Zerstrahlung der Ps ₂-Moleküle herrührende Signal musste deshalb ebenfalls mit zunehmender Temperatur abnehmen.

Die Spinrelaxation fand hingegen zwischen den desorbierten Ps-Atomen im Innern der Poren statt. Sie sollte deshalb mit zunehmender Temperatur immer wahrscheinlicher werden. Allerdings musste bei der Relaxation eine Hyperfeinenergie von 1 meV abgestrahlt werden. Für Photonen der entsprechenden Wellenlänge waren die Poren jedoch zu klein, sodass die Abstrahlung der Photonen und damit auch die Spinrelaxation völlig unterdrückt wurden. Es blieb also nur der molekülbildende Prozess übrig.

Cassidy und Mills beobachteten nun, wie das Strahlungssignal, das auf dem Zusammentreffen von o-Ps-Atomen beruhte, mit ansteigender Temperatur stetig abnahm. Sie schließen daraus, dass tatsächlich Dipositronium entstanden war – um sogleich wieder zu zerstrahlen. Nach diesem indirekten Nachweis des Dipositroniums wollen die Forscher die Ps ₂-Moleküle mit Laserlicht gezielt anregen und dadurch direkt nachweisen. Auch die Herstellung von größeren Molekülen wie Ps ₃ halten sie für möglich. Darüber hinaus könnte man Ps-Atome in so großer Zahl herstellen, dass es bei etwa 15 K zur Bose-Einstein-Kondensation kommt. Vielleicht ließe sich auch ein Bose-Einstein-Kondensat aus Ps ₂-Molekülen machen, sodass man bei ihrer kohärenten Zerstrahlung einen perfekten Gammastrahlenlaser bekäme.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  D. B. Cassidy & A. P. Mills Jr: The production of molecular Positronium. Nature 449, 195 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature06094
• Gruppe von Allen P. Mills, Jr., an der UC Riverside:
  http://physics.ucr.edu/People/Home/Mills/millsgroup.htm
• Gruppe von Clifford M. Surko an der UC San Diego:
  http://www-physics.ucsd.edu/research/surkogroup/

Weitere Literatur:

• D. B. Cassidy et al.: Experiments with a High-Density Positronium Gas. Phys. Rev. Lett. 95, 195006 (2005).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.95.195006
  http://physics.ucr.edu/People/.../2005%20Cassidy%20PhysRevLett_95_195006.pdf (frei!)
• D. B. Cassidy et al.: Accumulator for the production of intense positronium pulses, Review of Scientific Instruments 77, 073106 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1063/1.2221509
  http://physics.ucr.edu/People/Home/Mills/Publications/RSI2006.pdf (frei!)
• Charlton, M. & Humberston, J. W. Positron Physics (Cambridge Univ. Press, Cambridge, 2001).
• D. M. Schrader: Symmetry of Dipositronium Ps ₂. Phys. Rev. Lett. 92, 043401 (2004).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.92.043401