Am 21. September 1955 fanden Owen Chamberlain, Emilio Segrè, Clyde Wiegand und Tom Ypsilantis den ersten Beweis für das Antiproton, der durch Messungen seines Impulses und seiner Geschwindigkeit gewonnen wurde. Sie arbeiteten im so genannten „Rad Lab“ in Berkeley und hatten ihr Experiment an einem neuen Beschleuniger, dem Bevatron, aufgebaut – einem Protonen-Synchrotron, das eine Energie von 6,5 GeV erreichen sollte, ausreichend, um ein Antiproton in einem Experiment mit festem Ziel zu erzeugen (CERN Courier November 2005 S. 27). Kurz darauf wurden in einem ähnlichen Experiment unter der Leitung von Gerson Goldhaber und Edoardo Amaldi die erwarteten Annihilations-„Sterne“ gefunden, die in Stapeln von Kernemulsionen aufgezeichnet wurden (Abbildung 1). Vierzig Jahre später wurden durch die Kombination von Antiprotonen und Positronen in einem Experiment am Niederenergie-Antiprotonenring (LEAR) am CERN im September 1995 die ersten Antiwasserstoffatome nachgewiesen.

Im Laufe der Jahrzehnte sind Antiprotonen zu einem Standardinstrument für Studien in der Teilchenphysik geworden; das Wort „Antimaterie“ ist in den allgemeinen Sprachgebrauch eingegangen; und Antiwasserstoff wird schnell zu einem Labor für Untersuchungen in der Grundlagenphysik. Am CERN ist der Antiprotonenverzögerer (AD) heute eine wichtige Einrichtung für Untersuchungen der Grundlagenphysik bei niedrigen Energien, die die Untersuchungen an der Hochenergiegrenze des LHC ergänzen. Dieser Artikel blickt auf einige der Höhepunkte bei der Erforschung der Antiwelt am CERN zurück und wirft einen Blick auf das, was am AD bevorsteht.

Zurück am Bevatron folgte 1956 die Entdeckung des Antineutrons durch die Annihilation neutraler Teilchen, womit der Grundstein für die Erforschung der echten Antimaterie gelegt wurde. Ursprünglich erwartete man eine perfekte Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie durch die Kombination der Operationen der Ladungskonjugation (C), der Parität (P) und der Zeitumkehr (T). Nach der Beobachtung der CP-Verletzung im Jahr 1964 war es jedoch nicht offensichtlich, dass die Kernkräfte CPT-invariant sind und dass sich Antinukleonen zu Antinuklei verbinden sollten. Diese Zweifel wurden mit der Entdeckung des Antideuterons am CERN durch ein Team unter der Leitung von Antonino Zichichi und in Brookhaven durch ein Team der Columbia University, darunter Leon Lederman und Sam Ting, ausgeräumt (CERN Courier Mai 2009 S. 15 und Oktober 2009 S. 22). Ein Jahrzehnt später wurden im WA33-Experiment am Super-Protonen-Synchrotron des CERN Antihelium-3 und Antitritium nachgewiesen, nachdem am Institut für Hochenergiephysik in der Nähe von Serpukhov einige Kandidaten im 70-GeV-Protonen-Synchrotron gesichtet worden waren. In jüngerer Zeit hat die Verfügbarkeit von kollidierenden Schwerionenstrahlen zur Beobachtung von Antihelium-4 durch das STAR-Experiment am Relativistic Heavy-Ion Collider in Brookhaven geführt (CERN Courier Juni 2011 S. 8). Am CERN beobachtet das ALICE-Experiment am LHC die Produktion von leichten Kernen und Antikernen mit vergleichbaren Massen und daher kompatiblen Bindungsenergien (Abb. 2).

Aus Baryonium, Eintritt in neue Mesonen

Bereits 1949, vor der Entdeckung des Antiprotons, sagten Enrico Fermi und Chen-Ning Yang die Existenz gebundener Nukleon-Antinukleon-Zustände (Baryonium) voraus, als sie feststellten, dass bestimmte abstoßende Kräfte zwischen zwei Nukleonen im Nukleon-Antinukleon-System anziehend werden können. Später sagten die auf der Dualität basierenden Quarkmodelle die Existenz von Zuständen aus zwei Quarks und zwei Antiquarks voraus, die bei der Annihilation eines Protons mit einem Antiproton beobachtet werden sollten. In den 1970er Jahren sagten die Kernpotentialmodelle eine Fülle von gebundenen Zuständen und Resonanzanregungen um die Zweikernmasse herum voraus. Es gab tatsächlich Berichte über solche Zustände, darunter enge Zustände, die bei der Antiproton-Proton (pp)-Annihilation am Protonen-Synchrotron (PS) des CERN und bei Messungen des pp-Wirkungsquerschnitts in Abhängigkeit von der Energie (das S-Meson mit einer Masse von 1940 MeV) beobachtet wurden.

Baryonium war die Hauptmotivation für den Bau von LEAR am CERN, der mehr als ein Jahrzehnt lang von 1982 bis 1996 lief (siehe Kasten). Allerdings wurde keiner der Baryonium-Zustände bei LEAR bestätigt. Das S-Meson wurde nicht mit einer Empfindlichkeit beobachtet, die zehnmal unter dem Signal liegt, das zuvor im pp-Gesamtwirkungsquerschnitt berichtet wurde. Monoenergetische Übergänge zu gebundenen Zuständen wurden ebenfalls nicht beobachtet. Der Tod des Baryoniums war ein zentrales Thema der Antiproton 86-Konferenz in Thessaloniki. Was war geschehen? Die hohe Qualität der Antiprotonenstrahlen aus LEAR bedeutete, dass alle Pionen zerfallen waren. Die hohe Intensität der Antiprotonen (106/s im Vergleich zu etwa 102/s in den extrahierten Strahlen am PS) und eine hohe Impulsauflösung von 10-3-10-4 waren bei niedrigen Energien entscheidend für Antiprotonen, die mit sehr geringem Abstand zum Stillstand kommen.

Die Spektroskopie von Mesonen, die bei der pp-Annihilation in Ruhe erzeugt werden, erwies sich in mehreren Experimenten am LEAR als wesentlich ergiebiger. Damit wurde eine Tradition fortgesetzt, die in den 1960er Jahren mit der Annihilation von Antiprotonen in der 81-cm-Wasserstoffblasenkammer am PS begonnen hatte und zur Entdeckung des E-Mesons (E für Europa, jetzt η(1440)) und des D-Mesons (jetzt f1(1285)) in pp → (E, D → KKπ)ππ führte. Ersteres führte zu der langjährigen Kontroverse über die Existenz eines Glueball-Kandidaten in diesem Massenbereich – ein Zustand, der nur aus Gluonen besteht -, der beim strahlenden J/ψ-Zerfall am e+e- Collider SPEAR des SLAC beobachtet wurde. Mit dem Start von LEAR übernahmen die Experimente ASTERIX, OBELIX, Crystal Barrel und JETSET den Staffelstab der Mesonen-Spektroskopie bei der pp-Annihilation. ASTERIX entdeckte ein Tensormeson – das AX, jetzt f2(1565) – das auch von OBELIX gemeldet wurde; seine Struktur ist noch unklar, obwohl es sich um den vorhergesagten Tensor-Baryonium-Zustand handeln könnte.

Crystal Barrel spezialisierte sich auf den Nachweis von multineutralen Ereignissen. Die Antiprotonen wurden in einem Flüssigwasserstoff-Target gestoppt und π0-Mesonen wurden durch ihre γγ-Zerfälle in einer tonnenförmigen Anordnung von 1380 CsI(Tl)-Kristallen nachgewiesen. Abbildung 3 zeigt den Detektor zusammen mit einem Dalitz-Diagramm der pp-Annihilation in π0π0π0, gemessen durch das Experiment. Die ungleichmäßige Verteilung der Ereignisse deutet auf das Vorhandensein von Zwischenresonanzen hin, die in π0π0 zerfallen, wie die Spin-0-Mesonen f0(980) und f0(1500) und die Spin-2-Mesonen f2(1270) und f2(1565). Das f0(1500) ist ein guter Kandidat für einen Glueball.

Grundlegende Symmetrien

Das CPT-Theorem postuliert, dass die physikalischen Gesetze gleich bleiben, wenn die kombinierte Operation der CPT durchgeführt wird. Die CPT-Invarianz ergibt sich aus der Annahme bestimmter Voraussetzungen in Quantenfeldtheorien, wie der Lorentz-Invarianz und punktförmiger Elementarteilchen. Eine Verletzung der CPT ist jedoch auf sehr kleinen Längenskalen möglich und könnte zu geringfügigen Unterschieden zwischen den Eigenschaften von Teilchen und Antiteilchen führen, wie z. B. Lebensdauer, Trägheitsmasse und magnetisches Moment.

Bei LEAR führte die TRAP-Kollaboration (PS196) eine Reihe bahnbrechender Experimente durch, um das Verhältnis von Ladung zu Masse des Protons und des Antiprotons genau zu vergleichen, wobei Antiprotonen verwendet wurden, die in einer kalten elektromagnetischen Falle (Penning-Falle) gespeichert waren. Das Signal eines einzelnen gespeicherten Antiprotons konnte beobachtet werden, und Antiprotonen konnten bis zu zwei Monate lang in der Falle gespeichert werden. Durch die Messung der Zyklotronfrequenz der umlaufenden Antiprotonen mit einem Oszillator und den Vergleich mit der Zyklotronfrequenz von H- Ionen in derselben Falle erzielte das Team schließlich ein Ergebnis in der Größenordnung von 9 × 10-11. Bei dem Experiment wurden H-Ionen anstelle von Protonen verwendet, um Verzerrungen bei der Umkehrung der Vorzeichen der elektrischen und magnetischen Felder zu vermeiden.

Unter der Annahme der CPT-Invarianz impliziert die 1964 erstmals im neutralen Kaon-System beobachtete Verletzung der CP-Symmetrie, dass auch die T-Invarianz verletzt wird. Das CPLEAR-Experiment hat jedoch 1998 die Verletzung der T-Symmetrie im neutralen Kaonensystem nachgewiesen, ohne die CPT-Erhaltung anzunehmen (CERN Courier März 1999 S. 21). K0 und K0 gehen in Abhängigkeit von der Zeit ineinander über, und die Verletzung von T bedeutet, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt t die Wahrscheinlichkeit, ein K0 zu finden, wenn ursprünglich ein K0 erzeugt wurde, nicht gleich der Wahrscheinlichkeit ist, ein K0 zu finden, wenn ein K0 erzeugt wurde. CPLEAR ermittelte die Identität des ursprünglichen Kaons durch Messung des Vorzeichens des zugehörigen geladenen Kaons in der Annihilation pp → K+K0π- oder K-K0π+; das des Kaons zum Zeitpunkt t wurde durch den Nachweis der Zerfälle K0 → π+e- ν und K0 → π-e+ν abgeleitet. Abbildung 4 zeigt, dass tatsächlich eine kleine Asymmetrie beobachtet wurde, die mit den Erwartungen der CP-Verletzung unter der Annahme der CPT-Invarianz übereinstimmt.

Das CPT-Theorem sagt auch voraus, dass Materie und Antimaterie identische atomare Anregungsspektren haben sollten. Antiwasserstoff – die einfachste Form der neutralen Antimaterie, die aus einem Positron besteht, das ein Antiproton umkreist – wurde zum ersten Mal im PS210-Experiment am LEAR beobachtet. Der zirkulierende interne Antiprotonenstrahl von 1,9 GeV/c durchquerte ein Xenon-Cluster-Jet-Target und ermöglichte die Erzeugung eines e+e-Paares, als ein Antiproton das Coulomb-Feld eines Xenon-Kerns durchquerte. Das e+ könnte dann vom Antiproton eingefangen werden, um elektrisch neutralen Antiwasserstoff mit einem Impuls von 1,9 GeV/c zu bilden, der weiter stromabwärts durch seine Annihilation in Pionen und Photonen nachgewiesen werden könnte. Dieser Produktionsprozess ist eher selten, aber dennoch meldete die PS210-Kollaboration den Nachweis von neun Antiwasserstoffatomen nach etwa zweimonatiger Datennahme im August-September 1995 und nur wenige Monate vor der Abschaltung von LEAR. Die Beobachtung von Antiwasserstoff wurde zwei Jahre später am Antiprotonenakkumulator des Fermilab bestätigt, wenn auch mit einem viel geringeren Produktionsquerschnitt.

Am AD

Ein neues Kapitel in der Geschichte des Antiwasserstoffs am CERN wurde im Jahr 2000 mit der Inbetriebnahme des AD aufgeschlagen, das Antiprotonen auf 100 MeV/c abbremst, bevor sie für Experimente zur Antimaterie- und Atomphysik extrahiert werden (CERN Courier November 1999 S. 17). Das PS210-Experiment hatte versucht, Antiwasserstoff im Flug zu erzeugen, aber um z.B. die Spektroskopie von Antiwasserstoff zu untersuchen, ist es viel praktischer, Antiwasserstoffatome in elektromagnetischen Fallen zu speichern, so wie es TRAP bei seinen Antiprotonenexperimenten getan hatte. Dazu muss der Antiwasserstoff bei sehr niedrigen Energien erzeugt werden, wozu das AD beiträgt.

Im Jahr 2002 haben die ATHENA- und ATRAP-Experimente am AD die Produktion einer großen Anzahl langsamer Antiwasserstoffatome nachgewiesen (CERN Courier November 2002 S. 5 und Dezember 2002 S. 5). ATHENA benutzte absorbierende Folien, um die Energie der Antiprotonen aus dem AD auf einige Kilo-Elektronenvolt zu reduzieren. Ein kleiner Teil des Antiprotonenstrahls wurde dann in einer Penning-Falle eingefangen, während Positronen aus einer radioaktiven Natriumquelle in einer zweiten Falle gespeichert wurden. Die Antiprotonen- und Positronenwolken wurden dann in eine dritte Falle transferiert und zur Überlappung gebracht, um elektrisch neutralen Antiwasserstoff zu erzeugen, der zu den Wänden des Kryostats wanderte und sich dort vernichtete. Der Antiwasserstoff-Detektor enthielt zwei Schichten von Silizium-Mikrostreifen, um die geladenen Pionen aus der Antiprotonen-Annihilation aufzuspüren; eine Anordnung von 192 CsI-Kristallen detektierte und maß die Energien der Photonen aus der Positronen-Annihilation (Abbildung 5). Im Laufe des Experiments wurden etwa eine Million Antiwasserstoffatome erzeugt, was einer durchschnittlichen Rate von 10 Anti-Atomen pro Sekunde entspricht.

Antiwasserstoff hat ein magnetisches Dipolmoment (das des Positrons), was bedeutet, dass er in einem inhomogenen Magnetfeld eingefangen werden kann. Der erste Versuch dazu wurde am AD mit dem ALPHA-Experiment unternommen, bei dem 38 Antiwasserstoffatome in einem oktupolaren Magnetfeld erfolgreich eingefangen wurden (CERN Courier März 2011, S. 13). Die anfängliche Antiwasserstoff-Speicherzeit von 172 ms wurde später auf etwa 15 Minuten erhöht und ebnete so den Weg für atomare Spektroskopie-Experimente. Ein empfindlicher Test für CPT besteht darin, Übergänge von Singulett- zu Triplett-Spinzuständen (Hyperfeinaufspaltung oder HfS) im Antiwasserstoffatom zu induzieren und die Übergangsenergie mit der für Wasserstoff zu vergleichen, die mit sehr hoher Präzision bekannt ist. ALPHA hat die ersten erfolgreichen Versuche unternommen, den HfS mit Mikrowellenstrahlung zu messen, wobei es gelungen ist, den Positronenspin zu kippen und 23 Antiwasserstoffatome aus der Falle herauszuschleudern (CERN Courier April 2012 S. 7).

Ein alternativer Ansatz ist die Durchführung eines Stern-Gerlach-Experiments mit einem Antiwasserstoffstrahl. Das ASACUSA-Experiment hat eine Anti-Helmholtz-Spule (Höckerfalle) verwendet, um Kräfte auf die Antiwasserstoffatome auszuüben und diejenigen auszuwählen, die sich in einem bestimmten Positronenspin-Zustand befinden. Die Polarisation kann dann mit Mikrowellen der entsprechenden Frequenz umgedreht werden. In einem ersten erfolgreichen Test wurden 80 Antiwasserstoffatome stromabwärts vom Produktionsbereich nachgewiesen (CERN Courier März 2014, S. 5).

Die ASACUSA-Kollaboration hat CPT ebenfalls getestet, wobei Antiprotonen in Helium gestoppt wurden. Das Antiproton wurde eingefangen, indem eines der beiden umlaufenden Elektronen herausgeschleudert wurde, wobei das entstehende antiprotone Heliumatom in einem hochgradigen, langlebigen atomaren Zustand belassen wurde, der sich für eine Laseranregung eignet. Durch die Verwendung von zwei sich gegenläufig ausbreitenden Laserstrahlen (um die durch die thermische Bewegung verursachte Dopplerverbreiterung zu reduzieren) konnte die Gruppe das Massenverhältnis von Antiprotonen zu Elektronen mit einer Genauigkeit von 1,3 ppb bestimmen (CERN Courier September 2011 p7). Ein früherer Vergleich des Ladungs-Masse-Verhältnisses zwischen Proton und Antiproton wurde von der TRAP-Kollaboration am LEAR, wie oben beschrieben, mit einer Genauigkeit von 0,09 ppb durchgeführt. Die Kombination der Ergebnisse von ASACUSA und TRAP ergibt, dass die Massen und Ladungen des Protons und des Antiprotons mit einer Genauigkeit von weniger als 0,7 ppb gleich sind.

CPT verlangt auch, dass das magnetische Moment eines Teilchens gleich (minus) dem seines Antiteilchens ist. Das BASE-Experiment, das derzeit in der AD läuft, wird das magnetische Moment des Antiprotons bis auf 1 ppb bestimmen, indem die spinabhängige axiale Oszillationsfrequenz in einer Penning-Falle gemessen wird, die einem starken Magnetfeldgradienten ausgesetzt ist. Der experimentelle Ansatz ähnelt dem, der zur Messung des magnetischen Moments des Protons mit einer Genauigkeit von 3 ppb verwendet wurde (CERN Courier Juli/August 2014 S. 8). Die Kollaboration hat bereits die Ladung-zu-Masse-Verhältnisse des Antiprotons und des Protons mit einer Genauigkeit von 6,9 × 10-11 verglichen (p7).

Das schwache Äquivalenzprinzip (WEP), das besagt, dass alle Objekte in Gravitationsfeldern auf genau die gleiche Weise beschleunigt werden, wurde noch nie mit Antimaterie getestet. Versuche mit Positronen oder Antiprotonen scheiterten bisher an elektrischen oder magnetischen Streufeldern. Im Gegensatz dazu ist das elektrisch neutrale Antiwasserstoffatom eine ideale Sonde für den Test des WEP. Die AEgIS-Kollaboration am AD plant, die Durchbiegung eines Antiwasserstoffstrahls über eine Entfernung von typischerweise 1 m mit einem Zwei-Gitter-Deflektometer zu messen. Die Verschiebung des durch die Schwerkraft induzierten Moiré-Musters wird mit hoher Auflösung (ca. 1 μm) unter Verwendung von Kernemulsionen gemessen (Abbildung 6) – dieselbe Detektionstechnik, mit der 1956 die Annihilation des Antiprotons am Bevatron nachgewiesen wurde.

Die Zukunft ist ELENA

Zukünftige Experimente mit Antimaterie am CERN werden vom Projekt ELENA (Extra Low ENergy Antiproton) profitieren, das Ende 2017 in Betrieb gehen wird. Die Einfangeffizienz von Antiprotonen in Experimenten am AD ist derzeit sehr gering (weniger als 0,1 %), da die meisten Antiprotonen bei der Degradierung des 5 MeV-Strahls aus dem AD auf die wenigen Kiloelektronenvolt verloren gehen, die für die Einschluss-Spannung der elektromagnetischen Fallen erforderlich sind. Um dies zu überwinden, wird ELENA – ein elektronengekühlter Speicherring mit einem Umfang von 30 m, der sich in der AD-Halle befinden wird – Antiprotonen bis auf typischerweise 100 keV abbremsen. Eine schnelle Extraktion (im Gegensatz zur langsamen Extraktion, die bei LEAR zur Verfügung stand) ist vorgesehen, um die Fallenexperimente zu versorgen.

Ein Experiment, das von dieser neuen Anlage profitieren wird, ist GBAR, das auch die Gravitationsbeschleunigung von Antiwasserstoff messen soll. Mit einem 4,3 MeV-Elektronen-Linac werden Positronen erzeugt und zur Erzeugung positiver Antiwasserstoff-Ionen (d.h. ein Antiproton mit zwei Positronen) verwendet, die in eine elektromagnetische Falle transferiert und auf 10 mK abgekühlt werden können. Nach dem Transfer in eine andere Falle, in der eines der Positronen abgetrennt wird, wird der Antiwasserstoff vertikal mit einer mittleren Geschwindigkeit von etwa 1 m/s abgeschossen (CERN Courier März 2014 S. 31).

Es sei daran erinnert, dass die Entdeckung des Antiprotons in Berkeley auf etwa 60 Antiprotonen beruhte, die während eines siebenstündigen Laufs beobachtet wurden. Der 1,2 GeV/c-Strahl enthielt 5 × 104 mehr Pionen als Antiprotonen. Heute liefert das AD alle 100 Sekunden reine Strahlen von etwa 3 × 107 Antiprotonen bei 100 MeV/c, was das CERN-Labor zu einem weltweit einzigartigen Ort für Antimateriestudien macht. Im Laufe der Jahrzehnte haben die Antiprotonenstrahlen zur Entdeckung neuer Mesonen geführt und präzise Tests der Symmetrien zwischen Materie und Antimaterie ermöglicht. Jetzt werden die Eigenschaften von Wasserstoff und Antiwasserstoff verglichen, und mit ELENA sollen genaue Tests durchgeführt werden. Die Chancen, eine Verletzung der exakten Symmetrie festzustellen, sind gering, da das CPT-Theorem ein fundamentales Gesetz der Physik ist. Die Erfahrung zeigt jedoch, dass – wie bei der überraschenden Entdeckung der Nichterhaltung der Parität im Jahr 1957 und der CP-Verletzung im Jahr 1964 – die Experimente letztendlich das letzte Wort haben werden.