Am Forschungszentrum CERN bei Genf erzeugte Antiprotonen in einem Hochpräzisionslabor an der HHU in Düsseldorf untersuchen – das soll das Projekt BASE-STEP ermöglichen. Ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg dahin ist nun geschafft: Forschenden um Prof. Stefan Ulmer und Dr. Christian Smorra ist es erstmals gelungen, Protonen außerhalb eines Labors in einer sogenannten Penning-Falle ohne externe Energieversorgung zu transportieren. Damit haben sie aufgezeigt, wie an Großbeschleunigern erzeugte geladene Teilchen zukünftig für weiterführende Experimente und hochpräzise Messungen zu Forschungszentren in ganz Europa gelangen könnten – einfach im LKW über die Straße.
Im Standardmodell der Teilchenphysik hat das Antiproton als Antiteilchen des Protons die gleiche Masse, eine gleich große, aber negative elektrische Ladung und das umgekehrte magnetische Moment. Warum aber scheint unser Universum trotz dieser Symmetrie ganz überwiegend aus „normaler“ Materie zu bestehen? Treffen beide Teilchen aufeinander, kommt es zur Paarvernichtung und es entsteht elektromagnetische Strahlung. Wenn aber beim Urknall gleich viele Protonen und Antiprotonen entstanden sind – davon geht die Wissenschaft aus –, wie konnte dann so viel Materie der Paarvernichtung entgehen? Zeigen sich bei der genauen Vermessung der elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Antiprotons winzige Unterschiede zum Proton, könnte das zur Beantwortung dieser Fragen beitragen. Das ist das Ziel der Kollaboration BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment), deren Sprecher Prof. Ulmer ist.
Antiprotonen kommen auf der Erde nicht natürlich vor, können aber an Teilchenbeschleunigern künstlich erzeugt werden. Am CERN geschieht das in der Antimateriefabrik (AMF). Der Beschleunigerbetrieb sorgt jedoch für Magnetfeldschwankungen, die die Messungen vor Ort stören und die Messgenauigkeit begrenzen. Für das BASE-Experiment entsteht daher an der HHU ein speziell abgeschirmtes Präzisionslabor. Beim Transport mit BASE-STEP werden die Teilchen in einer Penning-Falle gespeichert, wo starke elektromagnetische Felder sie in einer Vakuumkammer festhalten. Um die Betriebstemperatur der supraleitenden Magnete zu erreichen und das Ultrahochvakuum aufrechtzuerhalten, wird die Falle mit flüssigem Helium gekühlt. Eine Protonenwolke wurde so erfolgreich über einen Zeitraum von vier Stunden ohne externe Stromversorgung über das CERN-Gelände transportiert; im nächsten Schritt sind Antiprotonen an der Reihe. Ein mobiler Stromgenerator an Bord des LKW soll die Reichweite vergrößern, sodass zukünftig verschiedene geladene (Anti-) Teilchen quer durch Europa reisen und Antiprotonen an der HHU eintreffen könnten.
Wer mehr über Antimaterie wissen will, findet auf der Homepage von Prof. Ulmers Arbeitsgruppe u. A. zahlreiche Videos.
Der Fachartikel über den erfolgreichen Einsatz des Transportsystems BASE-STEP wurde in der Zeitschrift Nature veröffentlicht. Mehr dazu auch in den News der Arbeitsgruppe (englisch) und der HHU.