Erstmals Antiprotonen transportiert

(openPR) Die Antiprotonen wurden an der „Antimateriefabrik“ (AMF) des CERN produziert, der weltweit einzigen Anlage, die diese speziellen Teilchen mit besonders niedriger Energie bereitstellen kann. Dem Forschungsteam von BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) gelang es nun, eine Wolke aus rund 100 Antiprotonen – dem Antimateriependant der Protonen – in einer transportablen sogenannten Penning-Falle zu sammeln. Die Falle wurde daraufhin von der stationären Versuchsanlage getrennt, auf einen Lkw verladen, mit diesem über das CERN-Gelände gefahren und schließlich wieder mit der Versuchsanlage verbunden, so dass die Antiprotonen zurückgespeist werden können.

Prof. Dr. Stefan Ulmer, Sprecher von BASE und Lehrstuhlinhaber für Quantentechnologie und Fundamentale Symmetrien an der HHU: „Antiprotonen einzufangen und über längere Zeit zu speichern, erfordert einiges an Know-how. Denn Antimaterie zerstrahlt sofort, sobald sie mit Materie in Kontakt kommt. Deshalb müssen die Antiteilchen so mit elektrischen Feldern und Magnetfeldern unter extrem hohem Vakuum gelagert werden, dass sie nicht mit Gasteilchen oder dem Speichergefäß in Kontakt kommen.“

Doch wozu dieser Aufwand? Die BASE-Kollaboration will die Eigenschaften von Antiprotonen, wie beispielsweise ihr intrinsisches magnetisches Moment, präzise vermessen und diese Messergebnisse mit denen des Protons vergleichen. BASE hält seit langem den Rekord, Antiprotonen länger als ein Jahr in ihrem stationären Aufbau an der AMF zu speichern.

Um auf die notwendige Präzision zu kommen, stehen die Physiker aber vor einem Problem: Die Beschleuniger in der AMF am CERN – wo sich BASE befindet – erzeugen Magnetfeldschwankungen, die die erreichbare Genauigkeit einschränken. „Um ein noch tieferes Verständnis der grundlegenden Eigenschaften von Antiprotonen zu erlangen, brauchen wir eine Umgebung mit geringeren Störfeldern. Wir müssen also umziehen, beispielsweise in unser an der HHU entstehendes Labor für hochpräzise Messungen der Antiprotoneneigenschaften. Daher haben wir vor etwa zehn Jahren begonnen, eine transportable Falle zu konzipieren, die wir unter Federführung von Christian Smorra innerhalb der Kollaboration entwickelt haben“, so Ulmer. Die Weltpremiere am CERN ist für diesen „Umzug“ ein wichtiger Test: Er zeigt, dass es technisch möglich ist, Antiprotonen in andere europäische Labore zu transportieren.

„Wir haben dazu die transportable Falle BASE-STEP entwickelt, um die eingefangenen Antiprotonen an verschiedene Präzisionslabore transportieren zu können – innerhalb des CERN, an die HHU, die Leibniz-Universität Hannover und möglicherweise an weitere Labore. Dort sollen die äußerst präzisen Antiprotonenmessungen durchgeführt werden“, erklärt Dr. Christian Smorra, Mitglied in Ulmers Düsseldorfer Arbeitsgruppe und der Leiter des vom European Research Council (ERC) geförderten Projekts STEP (Symmetry Tests in Experiments with Portable antiprotons). „Im letzten Jahr haben wir die Machbarkeit unseres Konzepts bereits mit Protonen bestätigt. Nun haben wir das gleiche mit Antiprotonen erreicht, ein riesiger Sprung in Richtung unseres Ziels.“

BASE-STEP fängt die Antiteilchen mithilfe magnetischer und elektrischer Felder ein. Die Apparatur wiegt rund 850 kg, sie kann auf einen Lkw verladen werden, passt durch normale Labortüren und hält den Stößen und Vibrationen während des Straßentransports stand. Sie umfasst einen supraleitenden Magneten, eine Kryokühlung mit flüssigem Helium, Energiereserven und eine Vakuumkammer. Damit ist sie wesentlich kompakter als jedes andere bestehende System zur Untersuchung von Antimaterie.

„Bis jetzt haben wir in BASE-STEP Antiprotonen zwei Wochen verlustfrei gespeichert, und wir können die Falle vier Stunden autonom transportieren“, sagt Smorra. „Aber um unser Labor an der HHU zu erreichen, benötigen wir mindestens zehn Stunden. Das bedeutet, dass wir den supraleitenden Magneten der Falle so lange auf einer Temperatur unter 8,2 K (-265 °C) halten müssen.“ Anstelle von flüssigem Helium, das zur Neige gehen kann, bräuchte es dazu einen Generator, um einen Kryokühler auf dem Lkw mit Strom zu versorgen.

„Der Transport von Antimaterie ist ein bahnbrechendes und ehrgeiziges Projekt, und ich gratuliere der BASE-Kollaboration zu diesem beeindruckenden Meilenstein. Wir stehen am Anfang einer spannenden wissenschaftlichen Reise, die es uns ermöglichen wird, unser Verständnis von Antimaterie weiter zu vertiefen“, sagt Dr. Gautier Hamel de Monchenault, Direktor für Forschung und Datenverarbeitung am CERN.

Prof. Dr. Anja Steinbeck, Rektorin der HHU, beglückwünscht die Forschenden zu ihrem großen Erfolg: „Die wissenschaftliche und technische Meisterleistung, die dem Team um Prof. Ulmer und Dr. Smorra gelungen ist, hilft, die Forschung an Großforschungseinrichtungen und an Universitäten noch stärker zu verzahnen. Und sie schafft die Grundlage, um fundamentale Fragen der Naturwissenschaften in Düsseldorf zu beantworten – eine äußerst spannende Perspektive.“

Materie, Antimaterie und die Antimateriefabrik AMF

Zu jedem Materie- gibt es ein Antimaterieteilchen. Diese sind zueinander fast identisch, sie unterscheiden sich lediglich im Vorzeichen der Ladung und den magnetischen Eigenschaften. Nach den Gesetzen der Physik hätten im Urknall gleiche Mengen von Materie und Antimaterie entstehen müssen. Aber: Teilchen und Antiteilchen hätten sich auch schnell wieder gegenseitig vernichten müssen, so dass ein leeres Universum übriggeblieben wäre. Das Universum besteht aber aus Materie. Es muss also ein Ungleichgewicht geben, welches den Forschenden seit Jahrzehnten Rätsel aufgibt. Physiker vermuten, dass es verborgene Unterschiede gibt, die erklären können, warum letztlich die Materie überlebte und die Antimaterie verschwand.

Die AMF am CERN ist weltweit der einzige Ort, an dem niederenergetische Antiprotonen erzeugt, gespeichert und untersucht werden können. Zwei sogenannte Abbremssanlagen, der „Antiproton-Decelerator“ (AD) und der „Extra Low ENergy Antiproton Ring“ (ELENA), versorgen mehrere Experimente mit Antiprotonen. Je niedriger die Energie der Antimaterie, desto leichter lässt sie sich zur Untersuchung speichern.

Die BASE-Kollaboration und BASE-STEP

Die 2012 gegründete Kollaboration BASE mit Sitz an der AMF am CERN umfasst Forschungsinstitute in Deutschland, Japan, dem Vereinigten Königreich und der Schweiz. Zu ihr gehören:
- Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig
- GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt
- Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
- CERN, Genf
- Leibniz-Universität Hannover
- Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg
- Imperial College London
- Johannes Gutenberg-Universität Mainz
- RIKEN, Japan
- Universität Tokio
- ETH Zürich

Gründer und Sprecher der Kollaboration ist Prof. Dr. Stefan Ulmer, Lehrstuhlinhaber für Quantentechnologie und Fundamentale Symmetrien an der HHU. Er ist auch Chief Scientist am RIKEN in Japan.

Im Rahmen der BASE-Kollaboration fördert das ERC das Projekt STEP, in dessen Rahmen die Transportfalle für Antiprotonen entwickelt wurde. Leiter dieses Projekts ist Dr. Christian Smorra.