Die BASE-Kollaboration am CERN in Genf hat einen bemerkenswerten Durchbruch in der Antimaterieforschung erzielt. Erstmals konnte ein einzelnes Antiproton für fast eine Minute zwischen zwei Spin-Quantenzuständen kontrolliert werden. Diese Studie, die in der renommierten Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde, kennzeichnet die erste Realisierung eines Quantenbits (Qubit) aus Antimaterie.
Antiprotonen weisen die gleiche Masse wie Protonen auf, folgen jedoch entgegengesetzten elektrischen Ladungen. Der Spin dieser Teilchen verhält sich wie winzige Stabmagnete, die in zwei Richtungen zeigen. Ein präzises Messen des magnetischen Moments dieser Teilchen ist nicht nur von theoretischem Interesse, sondern auch entscheidend für die Quantenmesstechnik. Um dies zu erreichen, setzte die BASE-Kollaboration die Methode der „kohärenten Spin-Quantenübergangsspektroskopie“ ein, um das Verhalten der Antiprotonen zu analysieren.
CPT-Symmetrie und ihre Bedeutung
Der Hintergrund dieser Forschung ist der Test der CPT-Symmetrie, die für die Wechselwirkungen zwischen Materie und Antimaterie von zentraler Bedeutung ist. Die CPT-Symmetrie fordert ein gleiches Verhalten von Materie und Antimaterie. Trotz dieser Symmetrie ist das beobachtbare Universum nahezu vollständig aus Materie aufgebaut, was das Phänomen der Asymmetrie erklärt.
Die BASE-Kollaboration demonstrierte erfolgreich den Spinübergang bei einem einzelnen Antiproton und erreichte eine Kohärenzzeit von 50 Sekunden. Diese Antiprotonen werden in der Antimateriefabrik (AMF) des CERN erzeugt und in Penning-Fallen gespeichert. In den letzten Jahren wurden bedeutende Fortschritte erzielt, sodass nun auch das magnetische Moment des Antiprotons mit höherer Genauigkeit bestimmt werden kann.
Perspektiven der Forschung
Ein neues System mit dem Namen BASE-STEP soll Antiprotonen in Präzisionslabore transportieren, wo längere Spinkohärenzzeiten und eine erhöhte Messgenauigkeit angestrebt werden. Die BASE-Kollaboration, gegründet im Jahr 2012 und unter der Leitung von Prof. Dr. Stefan Ulmer von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, umfasst internationale Forschungsinstitute, darunter RIKEN, CERN und das Max-Planck-Institut.
Zusätzlich zu den bahnbrechenden Erfahrungen mit Antiprotonen haben BASE-Wissenschaftler die Reaktion der Materie und Antimaterie auf Schwerkraft untersucht. Sie verglichen die Ladung-zu-Masse-Verhältnisse von Antiprotonen und Protonen und führten präzise Messungen mit den Uhren von Materie und Antimaterie durch. Diese Experimente ergaben, dass keine Frequenzanomalien auftraten, was die Gültigkeit des schwachen Äquivalenzprinzips für beide Systeme bestätigte.
Diese Entwicklungen tragen dazu bei, das Verständnis unseres Universums zu vertiefen und könnten essentielle Hinweise auf die grundlegenden symmetrischen Gesetze der Teilchenphysik liefern. Der Vergleich der Reaktionen von Materie und Antimaterie im Kontext der Gravitation bleibt eine zentrale Herausforderung und ein faszinierendes Forschungsfeld für die zukünftige Wissenschaft.
Weitere Informationen zu den Ergebnissen der BASE-Kollaboration können Sie auf den Seiten von Science Online und Max-Planck-Institut nachlesen.
