Forscher fahren 92 Antiprotonen mit einem Lastwagen durch CERN – sie sollen ein Rätsel des Universums lösen

Antiprotonen könnten helfen, eine der großen Fragen der Physik zu beantworten: Warum besteht unser Universum fast vollständig aus Materie, obwohl beim Urknall auch Antimaterie entstanden sein müsste? Forscher suchen deshalb nach winzigen Unterschieden zwischen Protonen und ihren Antimaterie-Gegenstücken.

Für genauere Messungen wollen Physiker die empfindlichen Teilchen künftig aus dem CERN in ruhigere Labore bringen. Dafür musste zunächst geklärt werden, ob sich Antiprotonen überhaupt sicher über Straßen transportieren lassen. Die BASE-Kollaboration setzte 92 von ihnen in eine mobile Falle, lud das rund 850 Kilogramm schwere System auf einen Lastwagen und fuhr damit 7,5 Kilometer über das CERN-Gelände. Kein Antiproton ging dabei verloren.

Anschließend blieben die Teilchen mehr als einen Monat gespeichert. Marcel Leonhardt von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) und seine Kollegen veröffentlichten die Ergebnisse jetzt im Fachjournal Nature.

Am CERN stoßen die Messungen an Grenzen

Die Antimateriefabrik des CERN ist weltweit die einzige Anlage, an der langsame Antiprotonen für solche Präzisionsexperimente bereitgestellt werden. Gleichzeitig erzeugt der Betrieb der Anlage Schwankungen im Magnetfeld.

Das wird zum Problem, wenn Unterschiede zwischen Protonen und Antiprotonen mit extremer Genauigkeit gemessen werden sollen. Schon kleinste Veränderungen des Magnetfelds können die Messungen beeinflussen.

„Wir können die Messgenauigkeit an der AMF nicht weiter verbessern, weil der Betrieb der Anlage Magnetfeldschwankungen verursacht“, erklärt Christian Smorra von der HHU. Deshalb soll BASE-STEP die Teilchen künftig in Labore bringen, in denen die magnetischen Bedingungen deutlich stabiler sind.

Die mobile Falle muss ohne das CERN auskommen

BASE-STEP ist eine transportable Penning-Falle. Elektrische und magnetische Felder halten die geladenen Teilchen darin fest, ohne dass sie die Wände des Behälters berühren.

Vor der Fahrt senkten die Forscher das Magnetfeld auf 136 Millitesla. Dadurch verringerte sich die im Magneten gespeicherte Energie und damit das Risiko eines sogenannten Quenchs, bei dem ein supraleitender Magnet plötzlich seine Supraleitung verliert.

Während des Transports lief das System zeitweise unabhängig von der stationären Infrastruktur. Batterien versorgten die Elektronik mit Strom, flüssiges Helium kühlte den Magneten.

Die Forscher hatten zuvor mehrere autonome Tests durchgeführt. Dabei lief BASE-STEP bis zu vier Stunden ohne Verlust der gespeicherten Antiprotonen.

Messungen schließen selbst den Verlust eines Antiprotons aus

Während der Fahrt überwachte das Team die Teilchen fortlaufend über einen Bildstromdetektor. Die Antiprotonen erzeugen dabei ein messbares Signal, aus dem sich ihre Zahl bestimmen lässt.

Ganz ohne Störungen blieb der Transport nicht. Die Resonatorfrequenz verschob sich um 122 Hertz. Als Ursache nennen die Forscher wahrscheinlich vibrationsbedingte Veränderungen an einem Detektionsdraht. Auch die axiale Frequenz driftete leicht, vermutlich durch Temperaturschwankungen in der Spannungsversorgung. Trotzdem blieben die Antiprotonen durchgehend nachweisbar.

Entscheidend war der Vergleich der Messdaten vor und nach der Fahrt. Die Veränderung der sogenannten Dip-Breite lag mehr als eine Größenordnung unter dem Signal, das bereits der Verlust eines einzigen Antiprotons verursacht hätte. Damit konnten die Forscher ausschließen, dass während des Transports ein Teilchen verloren ging.

Antiprotonen bleiben 33 Tage in der Falle

Nach der Fahrt beobachtete das Team die gespeicherten Antiprotonen weiter. Insgesamt werteten die Forscher Daten über 33 Tage aus.

Dabei trat keine Annihilation auf, die auf Zusammenstöße mit Restgas zurückzuführen war. Ein Antiproton ging an Tag 26 verloren, allerdings während eines Versuchs, bei dem die Spannungen in der Falle verändert wurden.

Die Konstruktion war ursprünglich für Restgasdrücke unter 10^-16 Millibar ausgelegt. Die während der Versuchsreihe erreichten Bedingungen übertrafen dieses Ziel deutlich.

Außerdem konnten die Forscher die gespeicherten Antiprotonen gezielt aufteilen und wieder zusammenführen. Sie trennten sogar einzelne Teilchen ab. Diese Kontrolle ist wichtig, wenn BASE-STEP später andere Experimente mit kleinen Mengen Antimaterie versorgen soll.

Nächstes Ziel ist Düsseldorf

Die Testfahrt auf dem CERN-Gelände war deutlich kürzer als die geplante nächste Etappe. Das Team um Stefan Ulmer baut an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf ein Labor auf, in dem Protonen und Antiprotonen unter ruhigeren magnetischen Bedingungen verglichen werden sollen.

Dafür müsste BASE-STEP ungefähr zehn Stunden autonom arbeiten. Die Forscher wollen das System entsprechend weiterentwickeln.

In solchen Laboren erwarten sie mindestens 100-fach empfindlichere Tests der Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie. Bislang haben Vergleiche von Protonen und Antiprotonen keinen Unterschied ergeben, der erklären könnte, warum im heutigen Universum Materie dominiert.

Kurz zusammengefasst:

• 92 Antiprotonen überstanden eine 7,5 Kilometer lange Fahrt auf dem CERN-Gelände ohne Teilchenverlust.
• Die Teilchen blieben anschließend über 33 Tage gespeichert; eine durch Restgas ausgelöste Annihilation wurde nicht beobachtet.
• Künftig sollen Antiprotonen in ruhigere Labore gebracht werden, um die Messungen deutlich empfindlicher zu machen.

Übrigens: Am CERN untersuchen Physiker auch mit Teilchenkollisionen, wie sich Materie unter extremen Bedingungen verhält. Was dabei über die ersten Momente des Universums sichtbar wird, lesen Sie in unserem Artikel.

Bild: © CERN