In einer neuen Abhandlung berichtet die ALPHA Collaboration, dass sie Antimaterie wortwörtlich auf ein neues Level gebracht hat. Die Forscher haben erstmals den Lyman-Alpha-Übergang (1S-2P) beim Antiwasserstoffatom beobachtet, dem Antimaterie-Gegenstück des Wasserstoffatoms. Das Ergebnis folgt kürzlichen Messungen eines anderen Übergangs und demonstriert, dass ALPHA schnell den Weg für Präzisionsmessungen ebnet, die bisher noch unbekannte Unterschiede zwischen dem Verhalten von Materie und Antimaterie enthüllen könnten. Die Abhandlung erschien gestern im Journal Nature.
Der Lyman-Alpha-Übergang (1S-2P) ist einer von mehreren in der Lyman-Serie, die vor etwas mehr als einem Jahrhundert von dem Physiker Theodore Lyman in atomarem Wasserstoff entdeckt wurden. Der Übergang tritt auf, wenn ein Elektron aus dem energieärmsten Niveau (1S) in ein höheres Energieniveau (2P) springt und dann wieder zurück in das 1S-Niveau fällt, wobei es ein Photon mit der Wellenlänge von 121,6 Nanometern emittiert.
Das ist ein besonderer Übergang. In der Astronomie erlaubt er Forschern, den Zustand des Mediums zwischen Galaxien zu untersuchen und kosmologische Modelle zu überprüfen. In Antimateriestudien könnte er Präzisionsmessungen ermöglichen, um zu sehen, wie Antiwasserstoff auf Licht und Gravitation reagiert. Die Entdeckung irgendeines geringen Unterschieds zwischen dem Verhalten von Antimaterie und Materie würde die Grundfeste des Standardmodells der Teilchenphysik erschüttern. Und es würde vielleicht Licht darauf werfen, warum das Universum fast ausschließlich aus Materie besteht, obwohl beim Urknall gleiche Mengen Materie und Antimaterie entstanden sein sollten.
Die ALPHA Collaboration erzeugt Antiwasserstoffatome, indem sie Antiprotonen aus dem Antiproton Decelerator (AD) am CERN nimmt und sie mit Positronen aus einer Natrium-22-Quelle zusammenbringt. Dann fängt sie die resultierenden Antiwasserstoffatome in einer magnetischen Falle, die sie davon abhält, in Kontakt mit Materie zu kommen und sich auszulöschen. Anschließend wird Laserlicht auf die gefangenen Atome geschossen, um ihre spektralen Reaktionen zu messen. Dabei werden verschiedene Laserfrequenzen genutzt und die Anzahl der Atome gezählt, die infolge der Interaktionen zwischen dem Laser und den Atomen aus der Falle herausfallen.
Diese Technik hat die ALPHA Collaboration bereits angewandt, um den sogenannten 1S-2S-Übergang zu messen. Mit dem gleichen Ansatz und einer Reihe Laserwellenlängen um 121,6 Nanometer haben die Wissenschaftler jetzt den Lyman-Alpha-Übergang in Antiwasserstoff registriert und seine Frequenz mit einer Genauigkeit von 5*10-8 gemessen, was gut mit dem entsprechenden Übergang in Wasserstoff übereinstimmt.
Diese Präzision ist nicht so hoch wie die beim Wasserstoff erreichte, aber das Ergebnis repräsentiert einen wichtigen technologischen Schritt nach vorne, um den Lyman-Alpha-Übergang zu verwenden und große Proben aus Antiwasserstoff mittels Laserkühlung herunterzukühlen. Solche Proben würden Forschern erlauben, die Genauigkeit dieser und anderer Messungen des Antiwasserstoffs derart zu verbessern, so dass sich jegliche Unterschiede zwischen dem Verhalten von Antiwasserstoff und Wasserstoff offenbaren würden.
„Wir sind wirklich aufgeregt aufgrund dieses Ergebnisses“, sagte Jeffrey Hangst, der Sprecher des ALPHA-Experiments. „Der Lyman-Alpha-Übergang ist sehr schwer zu untersuchen – sogar in ’normalem‘ Wasserstoff. Aber indem wir unsere Fähigkeit ausnutzen, große Mengen Antiwasserstoffatome über mehrere Stunden zu fangen und indem wir gepulstes Lyman-Alpha-Laserlicht verwenden, waren wir in der Lage, diesen Übergang zu beobachten. Der nächste Schritt ist die Kühlung mittels Lasern, was bahnbrechend für die Präzisionsspektroskopie und Gravitationsmessungen sein wird.“
(THK)
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