Es war eine brisante Fracht, die Physiker des europäischen Forschungszentrums CERN bei Genf am 24. März dieses Jahres per Lastwagen quer über das Gelände transportierten: eine Wolke aus 92 Antimaterieteilchen, genauer Antiprotonen. Elektrische und magnetische Felder hielten die Antimateriependants der positiv geladenen Bausteine der Atomkerne gefangen und sorgten so dafür, dass sie während der halbstündigen Fahrt keinerlei Kontakt mit der Umgebung hatten. Andernfalls wäre das Experiment sofort zu Ende gewesen. Denn treffen Materie und Antimaterie aufeinander, zerstrahlen sie gegenseitig, und es bleibt nichts übrig als pure Energie. Entsprechend hoch waren die experimentellen Anforderungen, um die negativ geladenen Antiprotonen sicher zum Ziel zu bringen. Über ihre Erfahrungen und Ergebnisse berichten die an dem Projekt beteiligten Physiker jetzt in der Zeitschrift „Nature“.
Um es gleich vorwegzunehmen: Der Transport war ein Erfolg auf ganzer Linie. Kein einziges Antiproton ging auf dem rund acht Kilometer langen Rundkurs verloren, auch nicht beim Entladen des Containers an der Laborhalle – der „Antimateriefabrik“ –, wo die Fahrt begonnen hatte. Und der Forschergruppe um Stefan Ulmer von der Heinrich-Heine-Universität in Düsseldorf gelang noch ein weiterer Coup: Die Antimaterieteilchen konnten anschließend noch einen ganzen Monat lang im mobilen Transportbehälter gespeichert werden – ohne Verluste beklagen zu müssen. Ein spezielles Verfahren ermöglichte es den Forschern, die Antiprotonenwolke die ganze Zeit zu beobachten und die Teilchen zu zählen.
Dem Rätsel der verschwundenen Antimaterie auf der Spur
Um Antiprotonen über längere Zeit speichern zu können, verwendeten die Physiker um Ulmer einen 20 Zentimeter langen zylinderförmigen Ionenkäfig, wie man ihn üblicherweise für Präzisionsmessungen nutzt. Darin wurden langsame Antiprotonen aus einem Teilchenbeschleuniger der Antimateriefabrik eingespeist und so lange abgebremst, bis sie mit einer Kombination von elektrischen und magnetischen Feldern in der Schwebe gehalten werden konnten. Ein perfektes Vakuum und eine Kühlung der Fallenwände auf frostige minus 269 Grad sorgten dafür, dass sich kaum noch Restgasatome in der Apparatur befanden, die mit den Antiprotonen hätten kollidieren können. Für ein stabiles Magnetfeld sorgten supraleitende Magneten. Die ganze Apparatur samt der Stromversorgung passte bequem in einen Container. Dieser wurde vor Fahrtbeginn vorsichtig auf einen Lkw geladen und erschütterungsfrei gelagert.
Dass sich die Forschergruppe um Ulmer, zu der auch Physiker aus Heidelberg, Mainz, Darmstadt, Braunschweig und Hannover zählen, so brennend für Antiprotonen interessieren, hat einen Grund. Sie wollen einem der großen Rätsel der Natur auf die Spur kommen: Warum besteht das Universum aus Materie und nicht aus Antimaterie, obwohl sie zu gleichen Anteilen beim Urknall vor ungefähr 13,8 Milliarden Jahren entstanden waren? Denn eigentlich hätten sie sich gegenseitig vernichten müssen. Weil das offenkundig nicht geschehen ist, nimmt man an, dass manche Naturgesetze unterschiedlich für Materie und Antimaterie verlaufen und so für die Dominanz der Materie gesorgt haben.
Gelungene Generalprobe für die Reise nach Düsseldorf
Ulmer und seine Kollegen hoffen, der Materie-Antimaterie-Asymmetrie auf die Spur zu kommen, indem sie am CERN bestimmte Eigenschaften der Protonen und Antiprotonen vergleichen. Dabei soll helfen, dass man beispielsweise das magnetische Moment oder das Masse-zu-Ladungs-Verhältnis von Protonen immer präziser messen kann. Vergleicht man die Werte miteinander, könnte man möglicherweise auf kleine Diskrepanzen zwischen Teilchen und Antiteilchen stoßen. Bislang konnte man im Rahmen der Messgenauigkeit von elf Nachkommastellen allerdings keinerlei Abweichungen feststellen.
Doch die Forscher um Ulmer geben sich damit nicht zufrieden und möchten die Genauigkeit um den Faktor 100 steigern. Das Ziel ist es, die elementaren Eigenschaften von Protonen und Antiprotonen mit einer Präzision von 14 Nachkommastellen miteinander zu vergleichen. Das ist jedoch in der Beschleunigerhalle, in der die bisherigen Experimente stattfanden, nicht möglich. Die magnetischen Streufelder der Teilchenbeschleuniger, mit denen Antiprotonen produziert werden, begrenzen die Messgenauigkeit. Ulmer und seine Kollegen wollen aus diesem Grund auf andere Labore ausweichen, in denen bessere Messbedingungen herrschen – etwa ein Labor an der Universität Düsseldorf, das derzeit eingerichtet wird.
Dazu müssen Antiprotonen allerdings mehrere Stunden lang in einer Ionenfalle in der Schwebe gehalten werden. Die zwanzigminütige Spritztour war für Ulmer und seine Kollegen gewissermaßen ein erster Test, ob Antimaterie tatsächlich auf der Straße transportiert werden kann. „Mit dem Transport im März ist uns die Generalprobe gelungen. Wir konnten zeigen, dass unsere Idee funktioniert. Unser nächstes Ziel ist nun, die Falle so autonom zu machen, dass mit ihr ein zehnstündiger Transport von Genf bis nach Düsseldorf möglich werden wird“, sagt Projektleiter Christian Smorra von der Heinrich-Heine-Universität.
Sollte in ein paar Jahren tatsächlich ein Lkw mit einem Container und der Aufschrift „Antimatter in motion“ auf deutschen Autobahnen rollen, braucht niemand davor Angst zu haben, es könne sich um eine hochexplosive Fracht handeln. Selbst wenn 100.000 Antiprotonen auf einmal auf Materie träfen, würde das niemand außer den mitfahrenden Physikern bemerken: Denn ihr Kontrollsignal aus dem Inneren des Ionenkäfigs wäre plötzlich verschwunden.
