Antimaterie ist außerordentlich schwer zu untersuchen, weil sie vernichtet wird, sobald sie mit gewöhnlicher Materie in Kontakt kommt. Ein Team von Physikern hat nun ein einzelnes Positron – das Antiteilchen des Elektrons – eingefangen und monatelang schwebend gehalten. Dadurch ergeben sich neue Möglichkeiten für Präzisionsexperimente.
Die in Physical Review Letters veröffentlichte Leistung beruht auf einem Gerät, das die Forscher als „Quantenzyklotron für ein einzelnes Positron“ bezeichnen. Das Gerät soll das Teilchen ausreichend isolieren, um eine der zentralen Annahmen der modernen Physik zu untersuchen: dass Elektronen und Positronen identische Massen und magnetische Momente mit entgegengesetzten Vorzeichen haben sollten.
Die Positronen werden von einer radioaktiven Natrium-22-Quelle erzeugt und müssen auf etwa 300 Millikelvin abgekühlt werden, also auf nur einen Bruchteil eines Grades über dem absoluten Nullpunkt. Nach Angaben der Forscher verringert dies ihre Energie innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums um mehr als zehn Größenordnungen.
Um das Teilchen in die Falle zu laden, verbindet sich das Positron kurz mit einem Elektron und bildet Positronium, ein elektrisch neutrales exotisches Atom. Dieses Atom kann durch eine winzige Öffnung von 625 Mikrometern in einen Fangbereich gelangen, wo ein intensives elektrisches Feld es ionisiert und das Positron eingeschlossen zurücklässt.
Das Verfahren ist äußerst anspruchsvoll: Das Laden eines einzelnen Positrons dauert zwischen acht und elf Stunden. Sobald es eingefangen ist, kann das Teilchen jedoch monatelang isoliert bleiben, sodass Wissenschaftler es unter kontrollierten Bedingungen untersuchen können.
Die Motivation für die Arbeit hängt mit einer der größten unbeantworteten Fragen der Physik zusammen: Warum enthält das Universum deutlich mehr Materie als Antimaterie? Das Standardmodell legt nahe, dass der Urknall gleiche Mengen von beidem hervorgebracht haben sollte. Ein Unterschied zwischen Elektronen und Positronen könnte daher auf eine Verletzung der erwarteten Symmetrie hindeuten.
Im Jahr 2023 maß dasselbe Team der Northwestern University das magnetische Moment des Elektrons, ausgedrückt durch seinen g-Faktor, mit einer Präzision von 0,13 Teilen pro Milliarde. Der bestehende direkte Vergleich zwischen Elektron und Positron stammt aus dem Jahr 1987 und ergab, dass sie bis auf 2,1 Teile pro Milliarde gleich sind.
Das neue Zyklotron soll die Präzision der Messung des magnetischen Moments des Positrons um etwa das 30-Fache verbessern. Die Apparatur hat nun nachgewiesen, dass sie das Teilchen einfangen und halten kann; die eigentliche hochpräzise Messung ist jedoch noch nicht abgeschlossen.
Der Forschungsleiter Gerald Gabrielse sagte, falls sich herausstellen sollte, dass Elektronen und Positronen nicht identisch sind, wäre dies „die größte Entdeckung in der Physik des vergangenen Jahrhunderts“.
Quellen: Xataka.