Es ist eines der großen Rätsel der Physik: Unser Universum ist heute von Materie dominiert, obwohl beim Urknall genauso viel Antimaterie wie Materie entstanden sein muss. Physiker vermuten die Ursache in subtilen Unterschieden in Merkmalen oder Verhalten beider Materieformen. Entsprechend intensiv suchen sie nach Hinweisen auf eine solche Asymmetrie. Die Erforschung der Antimaterie kann aber auch mehr über die Grundkräfte der Physik und das Standardmodell verraten. Doch die dafür nötige Antimaterie lässt sich nur unter großem Aufwand erzeugen und speichern. Denn kommt ein Antiteilchen mit normaler Materie in Kontakt, löschen sich beide gegenseitig aus. Es sind daher spezielle Fallen nötig, um die Antiteilchen kontaktfrei durch Magnetfelder in der Schwebe zu halten.
Warum Antiprotonen reisen müssen
Die weltweit einzige „Antimaterie-Fabrik“, die die für Messungen und Speicherung geeigneten energiearmen Antiprotonen erzeugen kann, befindet sich am Forschungszentrum CERN bei Genf. Dort produzieren Beschleuniger die nötige Antimaterie und zwei weitere Anlagen bremsen die Antiprotonen so weit ab, dass sie eingefangen, gespeichert und mit Positronen zu Antiwasserstoff kombiniert werden können. Der BASE-Kollaboration am CERN ist es bereits gelungen, Antimaterie über Monate zu speichern. Das Problem jedoch: Für besonders präzise Messungen an Antiteilchen ist das CERN ungeeignet. „Die Beschleuniger und Anlagen der Antimateriefabrik erzeugen Magnetfeldschwankungen, die die Genauigkeit unserer Messungen einschränken“, erklärt BASE-Sprecher Stefan Ulmer von der Heinrich Heine Universität Düsseldorf. Diese Fluktuationen umfassen zwar weniger als ein Milliardstel Tesla, reichen aber aus, um die Messergebnisse zu Grundmerkmalen der Antiprotonen zu beeinflussen.
Deswegen muss die Antimaterie für hochgenaue Messungen woanders hingebracht werden – beispielsweise an Speziallabore an der Düsseldorfer Universität. Doch das geht nur, wenn die Antiteilchen den gesamten Transport über gekühlt und in der Schwebe gehalten werden. „Daher haben wir vor etwa zehn Jahren begonnen, eine transportable Falle zu konzipieren“, berichtet Ulmer. Diese BASE-STEP genannte Transportbox enthält eine heruntergekühlte Vakuumkammer, in der die Antiprotonen durch supraleitende Magnete in der Schwebe gehalten werden. Die Magnetfalle ist so ausgelegt, dass sie einen Wandkontakt der Antimaterie trotz der Erschütterungen beim Straßentransport verhindert. Der gesamte Behälter wiegt rund 850 Kilogramm und passt in einen LKW.
Praxistest auf dem CERN-Gelände
Jetzt belegt ein erster Praxistest, dass die Antimaterie-Transportbox tatsächlich funktioniert. Dafür wurde der BASE-STEP-Behälter mit einer gekühlten Wolke aus knapp 100 Antiprotonen befüllt und auf einen LKW verladen. Dieser fuhr dann einmal kreuz und quer über das CERN-Gelände, bevor die Antiprotonen wieder ins Labor zurückgebracht wurden. Wie das CERN berichtet, überstand die Antimaterie den Ausflug unbeschadet und konnte anschließend weiter für Experimente genutzt werden. Damit ist es den Physikern erstmals gelungen, Antimaterie durch die Gegend zu transportieren – eine Weltpremiere. „Das ist ein riesiger Sprung in Richtung unseres Ziels“, sagt Christian Smorra, Leiter des STEP-Projekts. Denn der Test belegt, dass es technisch möglich ist, Antiprotonen vom CERN in andere europäische Labore zu bringen. Damit ist ein wichtiger Schritt hin zu genaueren Messungen mit diesen Antiteilchen geschafft.
Das nächste Ziel der Antiprotonen ist ein Speziallabor an der rund 700 Kilometer vom CERN entfernten Universität Düsseldorf. Dafür ist allerdings noch eine Aufrüstung der BASE-STEP-Box nötig: „Bis jetzt haben wir Antiprotonen in BASE-STEP zwei Wochen verlustfrei gespeichert, die Falle können wir vier Stunden lang autonom transportieren“, erklärt Smorra. „Aber um unser Labor an der HHU zu erreichen, benötigen wir mindestens zehn Stunden.“ Damit die supraleitenden Magneten so lange kalt bleiben, muss ein strombetriebener Kryokühler das als Kühlmittel eingesetzte flüssige Helium in dieser Zeit aktiv kühl halten. Der LKW muss daher zusätzlich einen Stromgenerator bekommen. „Der Transport von Antimaterie ist ein Meilenstein. Wir stehen am Anfang einer aufregenden wissenschaftlichen Entdeckungsreise, die unser Verständnis der Antimaterie weiter vertiefen wird“, sagt CERN-Forschungsdirektor Gautier Hamel de Monchenault.
Quelle: CERN, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, Leibniz Universität Hannover
