Antimaterie und Materie löschen sich auf der Stelle gegenseitig aus, wenn sie aufeinander treffen. Aber Forscher haben Möglichkeiten entwickelt, Antimaterie einzufangen und ihre Lebensdauer zu erhöhen, um sie zu untersuchen. Ein neues Projekt namens PUMA (antiProton Unstable Matter Annihilation) zielt darauf ab, eine Milliarde Antiprotonen am GBAR-Experiment der ELENA-Einrichtung am CERN einzufangen und sie für mehrere Wochen stabil zu halten.
Eine derart lange Speicherzeit würde es erlauben, die gefangenen Antiprotonen in ein Fahrzeug zu laden und zur benachbarten ISOLDE-Ionenstrahleinrichtung zu transportieren, die ein paar Hundert Meter entfernt liegt. Dort würden die Antiprotonen dann mit radioaktiven Ionen kollidieren, so dass exotische Kernphänomene erforscht werden könnten.
Um die Antiprotonen lange genug zu speichern, damit sie transportiert und in der ISOLDE-Einrichtung verwendet werden können, plant PUMA eine 70 Zentimeter lange “Doppelzonen”-Falle zu nutzen, die sich innerhalb eines supraleitenden Zylinderspulenmagneten befindet. Dort wird sie in einem extrem hohen Vakuum (10-17 Millibar) und bei einer kryogenen Temperatur von vier Kelvin gehalten. Die sogenannte Speicherzone der Falle wird die Antiprotonen begrenzen, während in der zweiten Zone Kollisionen zwischen den Antiprotonen und radioaktiven Atomkernen stattfinden, die in der ISOLDE-Einrichtung erzeugt werden, aber zu schnell zerfallen, um anderswohin transportiert und untersucht werden zu können.
Das Projekt hofft, die Eigenschaften von radioaktiven Atomkernen untersuchen zu können, indem die durch die Kollisionen zwischen den Atomkernen und den Antiprotonen emittierten Pionen gemessen werden. Solche Messungen würden helfen festzustellen, wie oft sich die Antiprotonen mit den Protonen oder Neutronen der Atomkerne gegenseitig auslöschen, und damit ihre relativen Dichten an der Oberfläche des Kerns preisgeben. Die relativen Dichten würden dann Anhaltspunkte dafür liefern, ob die Atomkerne exotische Eigenschaften haben, beispielsweise eine dicke Neutronenhülle, was mit einer wesentlich höheren Dichte an Neutronen gegenüber Protonen an der Kernoberfläche übereinstimmen würde, oder ausgedehnte Halos aus Protonen oder Neutronen um den Atomkern.
Heute ist das Kernforschungszentrum CERN der einzige Ort auf der Welt, wo energiearme Antiprotonen erzeugt werden, aber “dieses Projekt könnte zur Demokratisierung der Verwendung von Antimaterie führen”, sagte der Projektleiter Alexandre Obertelli, ein Physiker von der Technischen Universität Darmstadt. Er plant, in den kommenden zwei Jahren die Zylinderspule, die Falle und den Detektor zu entwickeln und zu bauen und hat das Ziel, im Jahr 2022 die ersten Kollisionen zu produzieren.
Obertelli wurden Fördermittel in Form eines ERC Consolidator Grant des European Research Council zugesprochen, und das fünfjährige PUMA-Projekt wurde im Januar dieses Jahres gestartet. Zusammen mit Wissenschaftlern des RIKEN-Forschungsinstituts in Japan und des Centre de recherche CEA Saclay sowie des L’Institut de physique nucléaire d’Orsay in Frankreich hat er eine Absichtserklärung an das zuständige CERN-Kommittee geschickt, damit PUMA ein vom CERN anerkanntes Experiment werden kann.
(THK)
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