Forschende am CERN haben einen bedeutenden Fortschritt in der Antimaterieforschung erzielt, indem sie Smartphone-Fotosensoren zur Zerstrahlung von Antimaterie in Echtzeit einsetzen. Diese innovative Technologie, die für die internationale AEgIS-Kooperation entwickelt wurde, stammt von Wissenschaftlern der Technischen Universität München (TUM). Mit Hilfe dieser neuen Geräte erfasst die Forschung Antiprotonen-Annihilationen mit einer beeindruckenden Genauigkeit von nahezu 0,6 Mikrometern und verbessert damit die bisherigen Verfahren um das 35-Fache. Diese Fortschritte sind entscheidend, da die AEgIS-Kooperation das Ziel verfolgt, den freien Fall von Antiwasserstoff im Schwerefeld der Erde präzise zu messen, was zuvor nur unter enormen technischen Herausforderungen möglich war.
Ein horizontaler Antiwasserstoffstrahl wird erzeugt, dessen vertikale Fallstrecke mithilfe eines Moiré-Deflektometers gemessen wird. Dr. Francesco Guatieri, Leiter der Studie, hebt die Notwendigkeit eines Detektors mit hoher räumlicher Auflösung hervor. Die Implementierung von 60 Smartphone-Chips in den Optical Photon and Antimatter Imager (OPHANIM) ist ein Schlüssel zur Erreichung dieser hohen Präzision. Zuvor wurden fotografische Platten als einzige Möglichkeit zur genauen Messung verwendet, jedoch ohne die Möglichkeit, Echtzeitmessungen durchzuführen. Die neue Lösung hat bereits erfolgreiche Tests an Antiprotonen bestanden und wird nun auf Antiwasserstoff angewendet. Die Resultate dieser Forschung wurden in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht und markieren einen entscheidenden Schritt in der Antimaterieforschung.
Die Grundlagen der Antimaterie
Antimaterie hat dieselbe Masse wie Materie, besitzt jedoch eine entgegengesetzte elektrische Ladung und Spin. Gemäß Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie sollte die Schwerkraft Materie und Antimaterie identisch beeinflussen. Allerdings wurde bislang keine direkte Messung der Fallgeschwindigkeit von Antimaterie durchgeführt, da die Produktion und das Einfangen von Antimaterie mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden sind. Die AEgIS-Kooperation am CERNs Antiprotonen-Decelerator (AD) hat kürzlich ein wegweisendes Paper in *Communications Physics* veröffentlicht, das einen Meilenstein in der Produktion von Antiwasserstoff beschreibt.
Neue Techniken, die bereits 2018 entwickelt wurden, ermöglichten die pulsierte Produktion von Antiwasserstoffatomen, was eine präzise Zeitmessung bei deren Bildung erlaubt. AEgIS-Sprecher Michael Doser stellte fest, dass dies das erste Mal ist, dass die pulsierte Bildung von Antiwasserstoff auf relevanten Zeiten erfolgt. Antiwasserstoff wird und wurde ausschließlich am CERN produziert und untersucht, was es ideal macht, um die Auswirkungen der Schwerkraft und die grundlegenden Eigenschaften der Antimaterie zu testen.
Zukünftige Perspektiven
Die ersten niedrigenergetischen Produktionsberichte von Antiwasserstoff stammen aus dem Jahr 2002, dank der ATHENA- und ATRAP-Kooperationen. Die ALPHA-Kooperation hat Fortschritte gemacht, größere Mengen von Antiwasserstoff zu produzieren, zu manipulieren und einzufangen. AEgIS setzte einen „Ladungsaustausch“-Prozess ein, der durch einen Laserimpuls ausgelöst wird, um Antiwasserstoff zu erzeugen, wodurch die Zeitbestimmung mit einer Unsicherheit von rund 100 ns möglich ist. Weitere Schritte zur Messung des Einflusses der Schwerkraft auf Antimaterie sind erforderlich, darunter die Bildung eines pulsierten Strahls, die Erhöhung der Antiwasserstoffmengen und das Kühlen der Atome.
In den kommenden Jahren planen die Experimente ALPHA, AEgIS und GBAR, die Fallgeschwindigkeit von Anti-Atomen mit einer Genauigkeit von 1 % zu messen. Diese Vorhaben sind eng mit dem neuen ELENA-Synchrotron verbunden, das extrem niedrigenergetische Antiprotonen produziert. Physiker glauben zwar, dass es unwahrscheinlich ist, dass Antimaterie eine entgegengesetzte Gravitationskraft im Vergleich zur Materie erfährt, präzise Messungen könnten jedoch subtile Unterschiede enthüllen.
