Zusammenfassung:
Ein Team von Physikern der Northwestern University hat kürzlich einen großen Durchbruch auf dem Gebiet der Teilchenphysikexperimente erzielt. Zum ersten Mal wurde das Antimaterie-Gegenstück des Elektrons, das Positron, erfolgreich in einem präzisen Quantenzustand geführt und stabil kontrolliert und mehrere Monate lang in einer extremen Vakuumumgebung nahe dem absoluten Nullpunkt suspendiert und eingesperrt. Dieses in Physical Review Letters veröffentlichte Forschungsergebnis konstruierte das weltweit erste „Einzelpositron-Quantenzyklotron“ und eröffnete der Menschheit einen neuen experimentellen Weg, um das Geheimnis der Zurückhaltung von Materie im Universum zu erforschen.
Obwohl das Standardmodell in der modernen Physik Elementarteilchen und drei der vier grundlegenden Wechselwirkungskräfte mit äußerst hoher Präzision beschreibt, konnte es nie ein Kernrätsel lösen: Nach theoretischen Schlussfolgerungen hätte der Urknall gleiche Mengen an Materie und Antimaterie produzieren sollen. Wenn die beiden aufeinander treffen, werden sie sofort vernichtet und zunichte gemacht. In Wirklichkeit besteht das beobachtbare Universum jedoch fast ausschließlich aus positiver Materie, und Sterne, Planeten und sogar Menschen können überleben. Gerald Gabrielse, der Leiter der Studie, sagte, dies zeige, dass das bestehende Standardmodell immer noch wesentliche Mängel oder Unvollständigkeiten aufweist. Das wissenschaftliche Forschungsteam hofft, durch eine hochpräzise Untersuchung der grundlegendsten Teilchensysteme Durchbrüche in der bestehenden Theorie zu erzielen.
Da Antimaterie sofort vernichtet wird, sobald sie mit der Wand eines herkömmlichen Materiebehälters in Kontakt kommt, ist es äußerst schwierig, sie über einen längeren Zeitraum aufzubewahren. Das Forschungsteam gewann zunächst hochenergetische Positronen aus dem radioaktiven Zerfall des seltenen Isotops Natrium-22, bremste sie stark ab und brachte sie in eine speziell entwickelte elektromagnetische Falle. Sie verwendeten spezielle elektrische und magnetische Felder, um sie in einer nahezu perfekten Vakuumumgebung aufzuhängen und zu isolieren und sie so vollständig vom Kontakt mit gewöhnlicher Materie in der Außenwelt zu isolieren. Gleichzeitig hielten die Wissenschaftler in der Falle eine extrem niedrige Temperaturumgebung von etwa 300 Millikelvin aufrecht, die nur 0,3 Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt liegt, und kühlten die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegenden Positronen erfolgreich auf den niedrigsten Quantengrundzustand ab, wodurch sie wie künstliche Atome gehorsam stationär wurden und klare Quantenenergieniveaus zeigten. Auf dieser Grundlage nutzte das Team fein abgestimmte Mikrowellen, um eine kleine Energiemenge einzuspeisen, um den Übergang von Positronen zwischen verschiedenen Quantenzuständen genau auszulösen und zu beobachten.
Zuvor hatte Gabriels‘ Team ein „Einzelelektronen-Quantenzyklotron“ verwendet, um das magnetische Moment von Elektronen (eine physikalische Größe, die die Stärke der Wechselwirkung zwischen Teilchen und Magnetfeldern misst) mit einer erstaunlichen Genauigkeit von einem Teil zu zehn Billionen zu messen. Nachdem das Team die gleiche Quantenmanipulationstechnologie erfolgreich auf ein einzelnes Antimaterieteilchen ausgeweitet hat, besteht das nächste Ziel darin, das magnetische Moment des Positrons mit der gleichen Genauigkeit zu messen. Nach aktuellen Vorhersagen der physikalischen Theorie sollten die magnetischen Momente von Elektronen und Positronen genau gleich groß und entgegengesetzt gerichtet sein. Gabriels wies darauf hin, dass selbst ein extrem kleiner Unterschied in den magnetischen Momentwerten zwischen den beiden bei nachfolgenden Präzisionsvergleichen direkt die Grundlagen des Standardmodells erschüttern würde. Es wird nicht nur erwartet, dass es den tiefgreifenden Mechanismus des Ungleichgewichts von Materie und Antimaterie im Universum aufdeckt, sondern es wird auch die bedeutendste wissenschaftliche Entdeckung in der Physik des vergangenen Jahrhunderts werden.
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