Physiker fangen ein einzelnes Positron monatelang in Quantenzyklotron

Einem Physikerteam ist es gelungen, ein einzelnes Positron, das Antiteilchen des Elektrons, einzufangen und monatelang in der Schwebe zu halten. Die in Physical Review Letters veröffentlichte Arbeit beschreibt ein „Einzel-Positron-Quantenzyklotron“ und soll einen strengen Test der Grundpfeiler der modernen Physik ermöglichen.

Antimaterie ist extrem schwer zu handhaben: Kommt sie mit gewöhnlicher Materie in Kontakt, vernichten sich beide in einem Energieblitz. Ein Teilchen über Monate zu isolieren, ist deshalb eine große technische Leistung.

So wird das Positron eingefangen

Das Positron stammt aus einer radioaktiven Natrium-22-Quelle und tritt mit enormer Energie aus. Für die Untersuchung müssen die Forscher es auf 300 Millikelvin abkühlen, nur einen Bruchteil eines Grades über dem absoluten Nullpunkt. Seine Energie sinkt dabei in kurzer Zeit um mehr als zehn Größenordnungen.

Um es in eine Magnetfalle zu bringen, lässt das Team das Positron kurz mit einem Elektron zu Positronium verbinden, einem exotischen, elektrisch neutralen Atom. Weil es keine Ladung trägt, passt es durch eine winzige Öffnung von nur 625 Mikrometern in eine Falle, wo ein starkes elektrisches Feld es ionisiert und das Positron gefangen bleibt. Das Laden eines einzelnen Positrons dauert 8 bis 11 Stunden.

Warum das wichtig ist

Nach dem Standardmodell hätte der Urknall gleich viel Materie und Antimaterie erzeugen müssen, doch das heutige Universum besteht aus Materie. Seit Jahrzehnten suchen Physiker nach einem Unterschied, der das erklärt. Elektron und Positron sollten perfekte Spiegelbilder sein, mit gleicher Masse und einem magnetischen Moment, dem g-Faktor, von gleichem Betrag, aber umgekehrtem Vorzeichen.

2023 vermaß dieselbe Gruppe der Northwestern University den g-Faktor des Elektrons mit einer Genauigkeit von 0,13 Teilen pro Billion. Der aktuelle Vergleich von Elektron und Positron stammt von 1987 und zeigt Gleichheit mit 2,1 Teilen pro Billion. Mit dem neuen Aufbau, schätzen die Forscher, ließe sich die Genauigkeit der Messung des magnetischen Moments des Positrons etwa um den Faktor 30 verbessern.

Die hochpräzise Messung steht noch aus; bislang ist nur gezeigt, dass die Apparatur funktioniert. Teamleiter Gerald Gabrielse sagt, sollten Elektron und Positron nicht gleich sein, wäre das die größte Entdeckung der Physik im vergangenen Jahrhundert.