Protonen auf Reisen
Mit einer Penning-Falle ist der Transport von Protonen außerhalb eines Labors gelungen.
Der internationalen Forschungskollaboration BASE, zu der auch die Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf gehört, ist erstmals mithilfe einer autonomen und offenen Penning-Falle der Transport von Protonen außerhalb eines Labors gelungen. Dies ist ein wichtiger Schritt dahin, am Forschungszentrum Cern erzeugte Antiprotonen in Hochpräzisionslabore außerhalb des Forschungszentrums zu transportieren. Denn nur weit entfernt von Beschleunigeranlagen können extrem genaue Messungen zum Vergleich von Materie und Antimaterie gemacht werden.
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Die BASE-Kollaboration (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) sucht nach winzig kleinen Unterschieden zwischen Protonen und Antiprotonen. „Um mögliche Unterschiede beim magnetischen Moment oder beim Ladung-zu-Masse-Verhältnis feststellen zu können, benötigen wir extrem hohe Messgenauigkeiten. Diese sind am Cern kaum noch erreichbar, da dort das durch die Beschleuniger erzeugte magnetische Hintergrundrauschen zu hoch ist. Wir wollen deshalb Antiprotonen, die am Cern produziert wurden, nach Düsseldorf bringen, um sie hier in einem neuen, extrem gut abgeschirmten Labor zu vermessen“, sagt Stefan Ulmer, Physiker an der HHU, Gründer und Sprecher von BASE.
Niederenergetische Antiprotonen, die für solche Hochpräzisionsmessungen nutzbar wären, können nur am Cern produziert werden. Dort vor allem an der Antimateriefabrik (AMF) am Antiproton Decelerator (AD), an dem das BASE-Experiment angesiedelt ist. Hier ist es bereits gelungen, die Antiprotonen vollständig abzubremsen und in einer Penning-Falle zu speichern. Der Transport der Antiprotonen in ein anderes Labor, dazu noch über viele hundert Kilometer hinweg, ist eine sehr komplexe Aufgabe. Die Forschenden entwickelten ein robustes transportables, supraleitendes, offenes und autonomes Penning-Fallensystem namens BASE-STEP, mit dem sie im Herbst 2024 erstmals eine Protonenwolke aus der AMF extrahierten und mithilfe eines Lkw über das Cern-Gelände transportierten.
„Wir haben so den verlustfreien Transport von Protonen demonstriert, konnten die Falle ohne externe Energieversorgung vier Stunden lang autonom laufen lassen und sie nach dem Transport verlustfrei weiter betreiben. Der Transfer von Teilchen ist damit über größere Entfernungen im normalen Straßenverkehr möglich“, sagt Marcel Leonhardt. Christian Smorra von der HHU, Projektleiter von BASE-STEP, ergänzt: „Die Transportreichweite des Systems kann mit mobilen Stromgeneratoren beliebig erhöht werden, so dass längere Transportwege und -zeiten möglich werden. Unsere Vision ist, so in Zukunft Labore in ganz Europa zu erreichen.“
Nachdem die Funktionsfähigkeit des Transportsystems mit Protonen gezeigt wurde, wird nun in einem nächsten Schritt der Transport von Antiprotonen angegangen. Smorra: „Gelingt auch dies, stehen wir am Beginn einer neuen Ära in der Antimaterie-Präzisionsforschung. Dann können wir Antiprotonenspektroskopie in den am besten geeigneten Laboren durchführen – zukünftig auch an der HHU.“ Die Technik bietet weitere Möglichkeiten. „Es sollte möglich sein, andere exotische Teilchen und Moleküle wie hochgeladene Ionen zum Beispiel von der GSI in Darmstadt oder geladene Antimaterie-Ionen und -Molekülionen zu transportieren und unabhängig von Beschleunigern zu untersuchen“, so Ulmer.
HHU Düsseldorf / JOL
