Forscher am Cern, der Europäischen Organisation für Kernforschung in  Genf, haben bei der Messung eines Quanteneffekts keinen Unterschied zwischen Materie und Antimaterie festgestellt. Mit ihren Experimenten wollen sie nicht weniger als das Rätsel unserer Existenz lösen.

Beim Urknall entstanden gleich viel Materie und Antimaterie. So lautet die gültige Theorie. Da sich beide gegenseitig auslöschen, hätte  keine Materie übrigbleiben dürfen. Und doch gibt es das Weltall mit seinen Sternen, Planeten, der Erde und der Menschheit. Somit sind wir und alle Materie im wahrsten Sinn ein existenzielles Rätsel, dem die Forschenden am Cern auf der Spur sind.

Indem sie Anti-Wasserstoff, das Antimaterie-Pendant zu Wasserstoff, bis ins kleinste Detail vermessen, hoffen sie, eine Erklärung für unsere Existenz im All zu finden. Ein winziger Bruch in der Symmetrie von Materie und Antimaterie, ein kleinster Unterschied im Verhalten von Teilchen und Antiteilchen könnte den Weg zur Lösung des Rätsels weisen.

Das internationale Forscherteam des Alpha-Experiments berichtet im Fachblatt "Nature" von neuen Erkenntnissen über Anti-Wasserstoff. Einen Unterschied zu Wasserstoff fanden sie zwar auch diesmal nicht, doch die Ergebnisse ebnen den Weg für noch präzisere Messungen, teilte das Cern mit.

In ihrem Fachartikel berichten das Forschungsteam von der Feinstruktur und der "Lamb-Verschiebung" des Anti-Wasserstoffs. Damit sind Eigenschaften der Energieniveaus, die die Elektronen im Wasserstoff und im Anti-Wasserstoff einnehmen können.

Herstellung Magnetfallen im Vakuum

Die Forscher des Alpha-Experiments können bereits seit einigen Jahren unter großem Aufwand Anti-Wasserstoff-Atome herstellen, in einer Magnetfalle unter Hochvakuum einfangen und mittlerweile über mehrere Tage aufbewahren und damit experimentieren. Indem sie die Anti-Atome in der Magnetfalle mit Laserlicht anregen, können sie die Übergänge der Positronen zwischen verschiedenen Energieniveaus messen. So berichteten sie zuletzt 2018 von Messungen der sogenannten "Lyman-alpha-Elektronentransition", einem Übergang eines (Anti-)Elektrons vom niedrigsten Energielevel auf ein höheres.

In der neuen Studie gingen die Wissenschafter noch mehr ins Detail des angeregten Zustands und konnten dessen Feinstruktur vermessen. Gemeint ist damit die Zusammensetzung dieses Energieniveaus aus mehreren Energiewerten. Zudem untersuchten sie die "Lamb-Verschiebung" - ein quantenphysikalischer Effekt, der zu geringfügigen Differenzen bei diesen Energiewerten führt. Die Entdeckung dieses Effekts durch Willis Lamb vor rund 70 Jahren legte die Basis für die Quantenelektrodynamik - also die Theorie, wie Materie mit Licht interagiert.

Sowohl in Feinstruktur als auch "Lamb-Verschiebung" konnten die Forschenden keinen Unterschied zwischen Anti-Wasserstoff und Wasserstoff feststellen. Auch wenn sich damit also noch keine Antwort auf das Rätsel der Existenz von Materie abzeichnet, werten die Forscher die neuen Ergebnisse als Erfolg. Denn sie ebnen den Weg für neue Methoden, Anti-Wasserstoff in Zukunft noch präziser zu untersuchen. Der nächste Schritt sei, große Mengen von Anti-Wasserstoff mithilfe von modernster Laser-Kühlungstechnik zu kühlen und damit noch exaktere Messungen und Vergleiche anzustellen denn je, wie Jeffrey Hangst, Sprecher des Alpha-Experiments, erklärte. (apa/sda)