Gesundheit : Wie schnell fällt ein Apfel aus Antimaterie?

In Genf bereiten sich Wissenschaftler auf die ersten Experimente in der Gegenwelt vor

Thomas de Padova

Was würden wir sehen, wenn wir eine Feder oder eine Kugel beobachten könnten, die im luftleeren Raum nach unten fällt? Galileo Galilei hat sich der Antwort auf diese Frage Schritt für Schritt nähert. Er benutzte ein spezielles Instrumentarium, um zu messen, wie schnell Objekte zur Erde fallen. Mit Hilfe von Wasseruhren und Proportionalzirkeln stellte er seine berühmt gewordenen Fallgesetze auf, die für Feder und Kugel gleichermaßen gelten. Und mehr noch als auf die Beobachtung der Natur, in der die Einflüsse von Reibung und Luftwiderstand nie ganz auszuschließen sind, vertraute er dabei auf seinen Verstand.

Was würden wir sehen, wenn wir eine Kugel aus Antimaterie beobachten könnten, die im leeren Raum nach unten fällt? „Wir wissen es nicht“, sagt Jochen Walz vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching. „Aber wenn Antimaterie statt nach unten nach oben fallen würde, dann wäre das eine Riesenüberraschung.“

Bisher gibt es zu Fallbewegungen von Antimaterie kein einziges Experiment. Walz und seine Kollegen sind einer solchen Überprüfung inzwischen allerdings recht nahe gekommen. Und sie müssen dazu noch sehr viel stärker ihrem Verstand als allein den Messungen trauen, haben sie doch mit noch viel mehr Widrigkeiten der Natur zu kämpfen als seinerzeit Galilei.

Das größte Problem, vor dem sie stehen: Kugeln aus Antimaterie gibt es nicht. Antimaterie ist überhaupt nirgends zu finden.

Mit dem Urknall entstanden Materie und Antimaterie zwar in ungefähr gleichen Mengen. Die Antimaterie löste sich jedoch rasch wieder auf: Sie verband sich mit der herkömmlichen Materie und beide löschten sich gegenseitig in einem Blitz aus. Nur ein bisschen Materie blieb übrig. Und dieser kleine Materieüberschuss und bildete die Galaxien, Sterne und Planeten, die uns umgeben.

Unsere Alltagswelt ist heute frei von jeglicher Antimaterie. Der flüchtige Stoff lässt sich inzwischen allerdings unter viel Energieaufwand im Labor herstellen. „Wir haben im Jahr 2002 eine Million Anti-Wasserstoffatome produziert“, schwärmt Rolf Landua, Physiker am Europäischen Laboratorium für Elementarteilchenphysik (Cern) bei Genf.

Seiner Forschergruppe ist es im vergangenen Jahr als erster gelungen, größere Mengen Antimaterie zu gewinnen. Das Team, dem Jochen Walz vom Max-Planck-Institut angehört, folgte einige Wochen später. „In der ganzen Welt gibt es auf diesem Gebiet nur zwei miteinander konkurrierende Gruppen“, sagt Walz. „Und die arbeiten nur wenige Meter voneinander entfernt.“

Beide nutzen dieselbe Infrastruktur am Cern in der Schweiz, um ihre Maschinen zu füttern, in denen sie den Anti-Wasserstoff erzeugen. Sie sind dazu auf einen Entschleuniger angewiesen.

Nur wer langsam ist, kann sich binden

Der Weg zur Antimaterie führte über die Wiederentdeckung der Langsamkeit. Denn Anti-Wasserstoffatome entstehen im Labor aus zwei kleineren Bausteinen: den Anti-Protonen und den Anti-Elektronen. Und diese Konstituenten verbinden sich nur dann miteinander, wenn ihnen genügend Zeit bleibt, sich kennen zu lernen.

Es ist nicht leicht, ihnen diese Zeit zu geben. Denn schon um die Bestandteile herzustellen, bedarf es großer Energien. Wer etwa Anti-Protonen erschafft, bekommt stets heiße, flotte Partikel. Und muss sie anschließend bremsen.

„Die Experimente sind furchtbar zäh“, sagt Walz. „Wir haben drei Jahre gebraucht, um Antiwasserstoff zu erzeugen.“ Bei der Jahrestagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft in Hannover haben er und Landua nun ihre Experimente und Ergebnisse präsentiert.

Alles beginnt mit einem Ringbeschleuniger für gewöhnliche Materie. Darin kreisen die Kernbausteine des Wasserstoffs, die Protonen. Und zwar in großen Mengen. Alle zwei Minuten treffen 15 Billionen solche Protonen auf ein dünnes Metallblech aus Iridium. Es kommt zu einem Blitzlichtgewitter, in dem viele Elementarteilchen neu entstehen. Darunter sind auch jede Menge Anti-Protonen, die durch starke Magnete in einen zweiten Ring umgelenkt werden.

Ab in den Ring

„In diesem Ring haben wir die Anti-Protonen mühsam abgebremst“, sagt Walz. Ein Verfahren habe darin bestanden, sie durch ein kaltes Elektronenbad strömen zu lassen. Anti-Protonen paaren sich nicht mit derartigen Elektronen. Da aber beide elektrische Ladungen tragen, reagieren sie gleichwohl aufeinander. Die schnellen Anti-Protonen geben so einen Teil ihrer Energie an die Elektronen ab.

„Für die Herstellung von Anti-Wasserstoff sind diese Anti-Protonen aber immer noch viel zu heiß“, sagt Walz. Deshalb greifen die Experimentatoren noch einmal zu drastischen Mitteln: Sie schießen die Anti-Protonen durch eine hauchdünne Metallfolie, wohl wissend, dass dabei 99,99 Prozent von ihnen stecken bleiben und verloren gehen. Aber diejenigen, die mit letzter Kraft durchkommen, sind nun langsam genug. Sie werden mit Magneten in eine Falle gesperrt, in der sie auf Kreisbahnen zirkulieren.

In der Falle begegnen sie den wesentlich leichter herstellbaren Anti-Elektronen. Rasch finden sie nun ihre Partner und verbinden sich mit ihnen zu Anti-Wasserstoffatomen. „Inzwischen können wir einige 100 AntiWasserstoffatome pro Stunde nachweisen", sagt Walz. Der bisherige Rekord liege bei 718. Aus der Zahl der identifizierten AntiWasserstoffatome lässt sich dann errechnen, wie viele tatsächlich entstanden und sich in andere Richtungen verflüchtigt haben. Und das sind viel mehr, maximal etwa 100000 pro Stunde.

Gerne würden er und die anderen Experimentatoren mit ihrem Häuflein Anti-Wasserstoff auf den schiefen Turm von Pisa steigen und gucken, was passiert, wenn man sie herunterfallen lässt. Aber Anti-Wasserstoff lässt sich nicht festhalten. Sobald die mühsam produzierte Antimaterie irgendwie auf Materie trifft, löschen sich beide sofort gegenseitig aus. Übrig bleibt nur Energie.

Eine Chance für ein Galileisches Fallexepriment besteht darin, die Anti-Wasserstoffatome an ihren magnetischen Eigenschaften zu packen. Mit einem starken, inhomogenen Magnetfeld könnte man sie festhalten und vor der Berührung mit der Außenwelt schützen – das alles natürlich im Hochvakuum.

„Für eine hinlänglich genaue Messung bräuchten wir etwa 500000 Anti-Wasserstoffatome“, sagt Walz. Und man müsste sie nicht nach Pisa tragen. „Eine Flugstrecke von zehn Zentimetern würde ausreichen.“ Die Anti-Atomwolke würde diese Strecke in 0,14 Sekunden zurücklegen.

„Der Anti-Apfel sollte eigentlich genauso schnell zur Erde fallen wie der Apfel“, sagt Rolf Landua. Alles andere würde das Weltbild der Physik auf den Kopf stellen. Denn dann wäre es zum Beispiel möglich, mit Hilfe von Antimaterie ein Perpetuum Mobile zu bauen – das es nach gängiger Lehrmeinung nicht geben kann. Die beiden Forschergruppen am Cern, deren Apparaturen sich nur wenig unterscheiden, werden sich auch künftig Konkurrenz machen, um bei den Fallversuchen mit Antimaterie und beim Studium der inneren Struktur der Anti-Wasserstoffeatome die Nase vorn zu haben.

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