Präzise Messung von Materie und Antimaterie

Warum verschwand die Antimaterie fast vollständig aus unserem Universum, die Materie aber nicht? Am Teilchenbeschleuniger der Großforschungseinrichtung CERN versuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dieses Geheimnis zu lösen. Nun gelang ihnen die bisher genaueste Messung der Eigenschaften von leichten Atomkernen und ihrer Antikerne. Wissenschaftler des Exzellenzclusters Universe der Technischen Universität München (TUM) arbeiten an Detektoren, die noch präzisere Messungen erlauben.

Wie sah das Universum kurz nach seiner Entstehung aus? Mit dieser Frage beschäftigt sich ALICE (A Large Ion Collider Experiment) am CERN in der Schweiz. Am größten Teilchenbeschleuniger der Welt, dem Large Hadron Collider (LHC), lassen die Forscher Blei-Ionen bei bislang höchsten Strahlenergien kollidieren. Dabei entstehen Temperaturen, die 100.000-fach höher sind als im Zentrum der Sonne.

"Man erzeugt einen Zustand, der dem nach dem Urknall sehr ähnlich ist", erklärt Laura Fabbietti, Professorin am Physik-Department der TUM und Mitglied des Exzellenzclusters Universe. Der erzeugte Materiezustand, das sogenannte Quark-Gluon-Plasma (QGP) entstand vermutlich eine Mikrosekunde nach dem Urknall, zu einem Zeitpunkt, an dem das Universum sich mit großer Geschwindigkeit ausdehnte. Das im Labor erzeugte QGP ist nur für 10-23Sekunden stabil, aber die Forscher haben die Gelegenheit, in dieser kurzen Zeit einen Blick in die Vergangenheit des Universums zu werfen.

Worin liegt der kleine Unterschied?
Darüber hinaus erlaubt das ALICE Experiment, einem der größten Rätsel der Menschheit auf den Grund zu gehen. Laut dem CPT-Theorem (charge, parity, time, auf Deutsch Ladung, Parität, Zeit) besteht in unserem Universum eine fundamentale Symmetrie zwischen Teilchen und Antiteilchen. Das bedeutet, es sollte keinen Unterschied geben zwischen unserem Universum und einem, in dem alle Teilchen durch Antiteilchen ersetzt werden, wenn dabei auch das Universum in Zeit und Raum gespiegelt wird.

Und doch es muss einen Unterschied geben. Denn beim Urknall hätte theoretisch gleich viel Materie und Antimaterie entstehen müssen. Treffen die Teilchen und Antiteilchen aufeinander, vernichten sie sich gegenseitig. Trotzdem ist im Universum fast nur noch Materie zu finden - es muss also ein Ungleichgewicht gegeben haben. 

Bisher genaueste Messung von Masse und Ladung
Physiker suchen nach einer Verletzung des CPT-Theorems, die helfen würde die existierende Materie-Antimaterie Asymmetrie zu erklären. "ALICE versucht, durch hoch präzise Messungen der Eigenschaften von Teilchen und deren Antiteilchen, die in Teilchenkollisionen am LHC produziert werden, einen Unterschied zu finden", erklärt Dr. Torsten Dahms, der gemeinsam mit Fabbietti die zwei experimentellen ALICE-Gruppen an der TU München leitet und am Exzellenzcluster Universe eine Nachwuchsforschungsgruppe leitet.

Die aktuelle Studie untersucht das Verhältnis der Masse zur Ladung von Helium-3-Kernen sowie Deuterium-Kernen (bei Deuterium handelt es sich um schweren Wasserstoff) und den jeweiligen Antiteilchen. Ladung und Masse werden durch die Messung der Teilchenspuren und deren spezifischen Energieverlust innerhalb eines Gasdetektors namens TPC (Time Projection Chamber) bestimmt. Die TPC ist damit das Herz des ALICE Detektorsystems. Die in "Nature Physics" veröffentlichten Ergebnisse sind die bisher genauesten Messungen auf diesem Gebiet und bestätigen für den Moment das CPT-Theorem.

Damit die Untersuchungen noch genauer werden können, wird gerade an Verbesserungen der ALICE-Detektoren gearbeitet. "Im Moment können wir 500 Kollisionen pro Sekunde aufzeichnen", erklärt Fabbietti. "Bald sollen es 50.000 Kollisionen pro Sekunde sein." Die TUM-Wissenschaftler arbeiten an einem Upgrade der TPC-Auslese, die deutlich schneller werden soll. Dazu werden unter anderem hochmoderne GEM-Folien eingesetzt, die außerdem eine bessere Ortsauflösung bieten. Die TUM-Forscher leiten innerhalb einer internationalen Kollaboration das GEM-TPC Upgrade Projekt für ALICE. Die Installation der neuen Detektoren ist für 2018 geplant.

Originalpublikation:
ALICE Collaboration: Precision measurement of the mass difference between light nuclei and anti-nuclei; Nature Physics, doi:10.1038/nphys3432

Kontakt:
Prof. Dr. Laura Fabbietti
Technische Universität München
Exzellenzcluster Universe
Boltzmannstr. 285748 Garching
Tel.: +49?89?289-12431
E-Mail: laura.fabbietti@ph.tum.de