Größte Antimaterie-Beobachtung aller Zeiten wird die Zahlen für die Suche nach dunkler Materie verfeinern

Bei Experimenten im Brookhaven National Laboratory in den USA hat ein internationales Physikerteam die schwersten „Antikerne“ entdeckt, die jemals beobachtet wurden. Diese winzigen, kurzlebigen Objekte bestehen aus exotischen Antimaterieteilchen.

Messungen der Häufigkeit und Eigenschaften dieser Einheiten bestätigen unser derzeitiges Verständnis der Natur der Antimaterie und werden bei der Suche nach einer anderen mysteriösen Art von Teilchen – Dunkler Materie – im tiefen Weltraum helfen.

Die Ergebnisse wurden am 21. August veröffentlicht Natur.

Eine fehlende Spiegelwelt

Die Idee der Antimaterie ist noch kein Jahrhundert alt. Im Jahr 1928 entwickelte der britische Physiker Paul Dirac eine sehr genaue Theorie über das Verhalten von Elektronen, die etwas Besorgniserregendes vorhersagte: die Existenz von Elektronen mit negativer Energie, die die Existenz des stabilen Universums, in dem wir leben, unmöglich gemacht hätten.

Glücklicherweise haben Wissenschaftler eine alternative Erklärung für diese Zustände „negativer Energie“ gefunden: Antielektronen oder Zwillinge des entgegengesetzt geladenen Elektrons. Antielektronen wurden 1932 in Experimenten entdeckt und seitdem haben Wissenschaftler herausgefunden, dass alle Elementarteilchen ihre eigenen Antimaterie-Gegenstücke haben.

Aber das wirft eine andere Frage auf. Antielektronen, Antiprotonen und Antineutronen sollten sich zu Antiatomen oder sogar Antiplaneten und Antigalaxien verbinden können. Darüber hinaus legen unsere Theorien zum Urknall nahe, dass im frühen Universum gleiche Mengen an Materie und Antimaterie entstanden sein müssen.

Aber wohin wir auch schauen, wir sehen Materie und nur unbedeutende Mengen Antimaterie. Wo ist die Antimaterie geblieben? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler seit fast einem Jahrhundert.

Zerbrochene Atomfragmente

Die heutigen Ergebnisse stammen vom STAR-Experiment am Relativistic Heavy Ion Collider im Brookhaven National Laboratory in den Vereinigten Staaten.

Bei dem Experiment werden die Kerne schwerer Elemente wie Uran mit extrem hoher Geschwindigkeit zerschlagen. Diese Kollisionen erzeugen winzige, intensive Feuerbälle, die kurzzeitig die Bedingungen im Universum in den ersten Millisekunden nach dem Urknall nachbilden.

Bei jeder Kollision entstehen Hunderte neuer Teilchen, und das STAR-Experiment kann sie alle nachweisen. Bei den meisten dieser Teilchen handelt es sich um instabile, kurzlebige Einheiten, die Pionen genannt werden, aber gelegentlich tauchen auch interessantere Teilchen auf.

Im STAR-Detektor passieren Partikel einen großen gasgefüllten Behälter in einem Magnetfeld und hinterlassen sichtbare Spuren. Durch die Messung der „Dicke“ der Spuren und des Ausmaßes, in dem sie sich unter dem Einfluss des Magnetfelds verbiegen, können Wissenschaftler bestimmen, welche Art von Partikeln sie erzeugt haben.

Da Materie und Antimaterie entgegengesetzte Ladungen haben, biegen sich ihre Bahnen im Magnetfeld in entgegengesetzte Richtungen.

„Antihyperwasserstoff“

In der Natur bestehen die Atomkerne aus Protonen und Neutronen. Es ist jedoch auch möglich, einen sogenannten „Hyperkern“ herzustellen, bei dem eines der Neutronen durch ein Hyperon ersetzt wird, eine etwas schwerere Version des Neutrons.

Was die Forscher im STAR-Experiment entdeckten, war ein Hyperkern aus Antimaterie, ein sogenannter Antihyperkern. Tatsächlich war es der schwerste und exotischste Antimateriekern, der jemals beobachtet wurde.

Genauer gesagt besteht es aus einem Antiproton, zwei Antineutronen und einem Antihyperon und wird Antihyperwasserstoff 4 genannt. Unter den Milliarden produzierten Pionen haben STAR-Forscher nur 16 Antihyperwasserstoffkerne 4 identifiziert.

Die Ergebnisse bestätigen die Vorhersagen

Die neue Studie vergleicht diese neuen, schwereren Antikerne sowie eine Vielzahl anderer leichterer Antikerne mit ihren Gegenstücken in normaler Materie. Die Hyperkerne sind alle instabil und zerfallen nach etwa einer Zehntel Nanosekunde.

Wenn wir Hyperkerne mit ihren entsprechenden Antihyperkernen vergleichen, sehen wir, dass sie identische Lebensdauern und Massen haben, was genau das ist, was man von Diracs Theorie erwarten würde.

Bestehende Theorien sagen auch genau voraus, dass leichtere Antihyperkerne häufiger und schwerere seltener produziert werden.

Auch eine Schattenwelt?

Antimaterie hat auch faszinierende Verbindungen zu einer anderen exotischen Substanz, der Dunklen Materie. Aus Beobachtungen wissen wir, dass dunkle Materie das Universum durchdringt und fünfmal häufiger vorkommt als normale Materie, wir konnten sie jedoch nie direkt nachweisen.

Einige Theorien zur Dunklen Materie sagen voraus, dass sich zwei Teilchen der Dunklen Materie gegenseitig vernichten und eine Explosion von Materie- und Antimaterieteilchen hervorrufen, wenn sie kollidieren. Dadurch würden dann Antiwasserstoff und Antihelium entstehen, und ein Experiment namens Alpha Magnetic Spectrometer an Bord der Internationalen Raumstation ist auf der Suche nach diesen Phänomenen.

Wenn wir Antihelium im Weltraum beobachten würden, wie würden wir dann wissen, ob es aus Dunkler Materie oder normaler Materie stammt? Messungen wie diese von STAR ermöglichen es uns, unsere theoretischen Modelle auf die Menge an Antimaterie zu kalibrieren, die bei Kollisionen mit normaler Materie entsteht. Diese neueste Studie liefert eine Fülle von Daten für diese Art der Kalibrierung.

Es bleiben grundlegende Fragen

Wir haben im letzten Jahrhundert viel über Antimaterie gelernt. Allerdings konnten wir die Frage, warum wir so wenige von ihnen im Universum sehen, immer noch nicht beantworten.

Das STAR-Experiment ist bei weitem nicht das einzige, das versucht, die Natur der Antimaterie und ihren Zweck zu verstehen. Arbeiten in Experimenten wie LHCb und Alice am Large Hadron Collider in der Schweiz werden unser Verständnis verbessern, indem sie nach Anzeichen für Verhaltensunterschiede zwischen Materie und Antimaterie suchen.

Vielleicht werden wir im Jahr 2032, wenn der 100. Jahrestag der ersten Entdeckung der Antimaterie naht, einige Fortschritte beim Verständnis der Stellung dieser seltsamen Spiegelmaterie im Universum gemacht haben – und wir werden sogar wissen, wie sie mit dem Rätsel der Dunklen Materie zusammenhängt.

Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.