/ via Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg /
Am europäischen Kernforschungszentrum CERN in Genf wurden heute erstmals Antiprotonen in einem LKW über das dortige Gelände transportiert. Diese Weltpremiere ist ein großer Erfolg für die BASE-Kollaboration und der erste Schritt auf dem Weg zum Transport von Antimaterie an andere europäische Labore.
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Antimaterie sind Teilchen, die mit gewöhnlicher Materie fast identisch sind, abgesehen davon, dass ihre Ladungen und magnetischen Eigenschaften genau umgekehrt sind. Nach den Gesetzen der Physik hätte der Urknall gleiche Mengen an Materie und Antimaterie hervorbringen müssen. Diese hätten sich aber schnell gegenseitig vernichtet und ein leeres Universum hinterlassen. Unser Universum besteht jedoch überwiegend aus Materie, und dieses Ungleichgewicht gibt Wissenschaftler:innen seit Jahrzehnten Rätsel auf. Sie vermuten, dass es verborgene Unterschiede gibt, die erklären können, warum Materie überlebt hat und Antimaterie fast vollständig verschwunden ist. Und diese kleinsten Unterschiede zu bestimmen, ist eine der großen Herausforderungen der modernen Experimentalphysik, an denen unter anderem die BASE-Kollaboration arbeitet.
Antiprotonen, das Antimateriependant der Protonen, können an der „Antimateriefabrik“ (AMF) des CERN produziert werden, 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 in einer transportablen Ionenfalle, einer sogenannten Penning-Falle, zu sammeln. Diese wurde daraufhin erfolgreich 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, erklärt: „Antiprotonen einzufangen und über längere Zeit zu speichern, erfordert einiges an Know-how. 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? „Bisher konnten Forschende keine Hinweise auf kleinste Abweichungen in den Eigenschaften von Materie und Antimaterie feststellen, die Genauigkeit unserer Messungen war nicht präzise genug“, erläutert Prof. Dr. Klaus Blaum vom Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK), dem vor kurzem dem Leibniz-Preis für seine Errungenschaften auf dem Gebiet der Hochpräzisionsmessungen verliehen wurde. „Wir wollen die Eigenschaften von Antiprotonen, wie beispielsweise ihr intrinsisches magnetisches Moment, extrem genau vermessen und diese Ergebnisse mit denen des Protons vergleichen.“
Um auf die dafür notwendige Präzision zu kommen, stehen die Physiker:innen 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“, 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 am CERN eingefangenen Antiprotonen an verschiedene Präzisionslabore transportieren zu können. Dort sollen dann die bisher präzisesten Antiprotonenmessungen durchgeführt werden“, fügt Dr. Christian Smorra, Leiter des STEP-Projektes (Symmetry Tests in Experiments with Portable antiprotons), an. „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, passt durch normale Labortüren und kann auf einen Lkw verladen werden, wo sie den Stößen und Vibrationen während des Straßentransports standhält. Sie umfasst eine Vakuumkammer, einen supraleitenden Magneten, eine Kryokühlung mit flüssigem Helium, sowie die nötigen Stromreserven. Damit ist sie wesentlich kompakter als jedes andere bestehende System zur Untersuchung von Antimaterie. Ein Teil der Komponenten sowie der zugehörigen Infrastruktur des Experiments wurde dabei in den Werkstätten des MPIK gefertigt. „Bis jetzt haben wir in BASE-STEP Antiprotonen zwei Wochen verlustfrei gespeichert, und wir können die Falle vier Stunden autonom transportieren“, erläutert Smorra. „Für einen Transport an die geplanten Labore in Europa 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.“
Die BASE-Kollaboration und BASE-STEP
Die 2012 gegründete Kollaboration BASE mit Sitz an der AMF am CERN umfasst 11 Forschungsinstitute in Deutschland, Japan, dem Vereinigten Königreich und der Schweiz. Gründer und Sprecher der Kollaboration ist Prof. Dr. Stefan Ulmer, Lehrstuhlinhaber für Quantentechnologie und Fundamentale Symmetrien an der HHU, und 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.
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