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ANTIMATERIE
Erster Nachweis von Antimateriewellen
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Bern
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7. Mai 2019

Im Urknall müssen gleiche Mengen an Materie und Antimaterie entstanden sein, nur fehlt von dieser Antimaterie heute jede Spur. Dieses Ungleichgewicht ist eines der großen Rätsel der Physik, das man auch durch eine gezielte Untersuchung der Antimaterie lösen will. Jetzt gelang erstmals mit einem Interferenz-Experiment der Beweis, dass sich Antimaterie-Teilchen nicht nur wie Teilchen, sondern auch wie Wellen verhalten können.

Talbot-Lau-Interferometer

Das Talbot-Lau-Interferometer der QUPLAS-Kollaboration im Positronenlabor des Politecnico di Milano in Como.  Bild: LHEP / AEC, Universität Bern  [Großansicht]

Gemäß den Gesetzen der Quantenphysik weisen Materie-Teilchen nicht nur die Eigenschaften von Teilchen, sondern auch diejenigen von Wellen auf. Dieser Welle-Teilchen-Dualismus wurde bereits 1924 vom französischen Physiker Louis de Broglie postuliert. Die Existenz des Wellenverhaltens von Materie (Materiewellen) wurde seither erfolgreich in verschiedenen Experimenten mit Elektronen und Neutronen sowie auch mit komplexerer Materie bis hin zu großen Molekülen nachgewiesen.

Auch bei Antimaterie-Teilchen kann der Welle-Teilchen-Dualismus nachgewiesen werden – dies gelang bereits mit sogenannten Beugungsexperimenten. Nun schafften es Forschende der internationalen QUPLAS-Kollaboration jedoch erstmals, Antimateriewellen auch anhand von einzelnen Positronen (Antiteilchen des Elektrons) mit einem sogenannten Interferenz-Experiment nachzuweisen. Zur QUPLAS-Kollaboration gehören Forschende der Universität Bern und des Politecnico di Milano.

Um den Welle-Teilchen-Dualismus von einzelnen Positronen nachzuweisen, führten sie ein Experiment durch, das dem sogenannten Doppelspalt-Experiment ähnlich ist. Dieses hatten bereits berühmte Physiker wie Albert Einstein und Richard Feynman als Gedankenexperiment ins Spiel gebracht; es wird in der Quantenphysik oft verwendet, um das Wellenverhalten von Teilchen zu demonstrieren.

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Bei diesem Experiment werden Teilchen (in diesem Fall Positronen) von einer Quelle aus auf einen Detektor-Schirm geschossen. Dazwischen befindet sich eine Platte mit zwei oder mehreren Spalten, durch die die Teilchen hindurchfliegen können. Wenn sich die Teilchen wie Teilchen verhalten, zeigt sich auf dem Schirm ein Muster aus Streifen, das der Anzahl Spalten entspricht. Wenn sich die Teilchen jedoch wie Wellen verhalten, zeigt sich auf dem Schirm ein sogenanntes Interferenzmuster, bestehend aus mehreren Streifen (mehr Streifen als Spalten). Dies kommt daher, weil sich die von der Quelle ausgehenden Wellen gegenseitig überlagern.

Den QUPLAS-Forschenden gelang es nun erstmals in einem solchen Experiment, ein Interferenzmuster von Antimateriewellen nachzuweisen. Sie nutzen dazu einen innovatives sogenanntes Talbot-Lau-Interferometer mit einer Kernemulsionsplatte als ortsempfindlichen Detektor für die auftreffenden Teilchen. "Mit der Kernemulsion konnten wir den Auftreffpunkt der einzelnen Positronen sehr exakt bestimmen und so das Interferenzmuster auf den Mikrometer – also den millionstel eines Meters – genau rekonstruieren", erklärt Dr. Ciro Pistillo vom Laboratory for High Energy Physics (LHEP) und Albert Einstein Center for Fundamental Physics (AEC) der Universität Bern. Damit konnten die Forschenden zwei große Hindernisse von Antimaterieexperimenten überwinden: den geringen Antiteilchenfluss und die komplexe Manipulation der Antiteilchen-Strahlung.

"Unsere Beobachtung der Energieabhängigkeit des Interferenzmusters beweist eindeutig dessen quantenmechanischen Ursprung und somit das Wellenverhalten der Positronen", unterstreicht Professorin Paola Scampoli. Der Erfolg des Experiments ebnet den Weg zu einem neuen Untersuchungsfeld auf der Grundlage von Antimaterie-Interferometrie.

Ein Ziel dabei sind beispielweise Gravitationsmessungen mit exotischen Atomen wie Positronium, das aus einem Elektron und einem Antiteilchen (Positron) besteht. Damit könnte die Gültigkeit des sogenannten schwachen Äquivalenzprinzips für die Antimaterie überprüft werden. Dieses Prinzip ist die Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie und wurde noch nie mit Antimaterie geprüft.

Künftige Forschungsfelder auf Basis der Antimaterie-Interferometrie könnten einst Aufschluss liefern über das Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie im Universum. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift Science Advances publiziert.

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