imported>Ulanwp: 9 fehlende Sprachparameter eingefügt; 14 leere Parameter entfernt

2026-02-07T08:52:51Z

9 fehlende Sprachparameter eingefügt; 14 leere Parameter entfernt

Neue Seite

'''Antiwasserstoff''' ist das [[Antimaterie]]-Gegenstück zum [[Wasserstoff]]. Der [[Atomkern]] besteht aus einem [[Antiproton]], die [[Atomhülle]] aus einem [[Positron]] (Antielektron).

== Grundlagen ==
Ein gewöhnliches [[Wasserstoff]]atom besteht aus einem elektrisch positiv geladenem [[Proton]] als [[Atomkern|Kern]] und einem negativ geladenen [[Elektron]] als äußere Hülle. Zu jedem Elementarteilchen existiert ein [[Antiteilchen]] mit der Eigenschaft, umgekehrt elektrisch geladen zu sein. Das Positron (Antielektron) trägt demnach eine positive Ladung und das Antiproton eine negative Ladung, und sie können sich analog zu einem Antiwasserstoffatom verbinden.

Nach dem [[CPT-Theorem]], einem Grundpfeiler der modernen Physik, sollte sich Antiwasserstoff völlig analog zu Wasserstoff verhalten. Beispielsweise sollten die einzelnen Energieniveaus exakt gleich sein. Durch Vermessung der Energie atomarer Übergänge ([[Spektrallinie]]n) kann man das CPT-Theorem daher testen.

Ein weiteres Forschungsgebiet ist die genauere Überprüfung von Gravitationstheorien. Da Antimaterie positive Masse im Sinn der allgemeinen [[Relativitätstheorie]] besitzt, ist davon auszugehen, dass sie sich im [[Gravitationsfeld]] wie gewöhnliche Materie verhält. Mit den elektromagnetisch neutralen Antiwasserstoffatomen kann man das prinzipiell genauer testen als mit geladenen Teilchen, weil deren [[elektromagnetische Wechselwirkung]] wesentlich stärker als die Gravitation ist und bei diesen Messungen stören würde.

== Herstellung von Antiwasserstoff ==
Antimaterie tritt in der Natur nur bei hochenergetischen Prozessen auf: Beim radioaktiven [[Betastrahlung|β+-Zerfall]] beispielsweise von [[Kalium]]-40 zu [[Argon]]-40 entstehen Positronen, ebenso bei der Wechselwirkung hochenergetischer [[Gammastrahlung]] mit Materie ([[Paarbildung (Physik)|Paarbildung]]). Die 1836-mal so schweren Antiprotonen treten vereinzelt in [[Kosmische Strahlung|kosmischer Strahlung]] auf. Sobald Positronen aber in Kontakt mit Elektronen kommen, wandeln sie sich in elektromagnetische Strahlung um ([[Annihilation]]), entsprechend annihilieren Antiprotonen mit Protonen zu kurzlebigen [[Pion]]en. Es ist daher generell sehr schwierig, mit Antiteilchen zu experimentieren, und zwei von ihnen zu Atomen zusammenzufügen ist noch weit schwieriger.

Für Experimente erzeugt man Positronen und Antiprotonen, indem man in [[Teilchenbeschleuniger]]n hochenergetische Teilchen (Elektronen, Protonen, …) auf feste Targets schießt. Die entstehenden Antiteilchen werden mit Magnetfeldern in die gewünschte Richtung gelenkt und dann in [[Speicherring]]en gesammelt. Als nächster Schritt müssen diese sehr hochenergetischen Antiprotonen und Positronen um etliche Größenordnungen abgebremst werden. Dies geschieht mit der Technologie von Teilchenbeschleunigern, die gewissermaßen umgekehrt arbeiten. Ein Beispiel hierfür ist der [[Antiproton Decelerator]] am [[CERN]]. Für Positronen gibt es auch andere Verfahren zur Abbremsung. Die so abgebremsten Antiprotonen und Positronen müssen dann in räumlichen Kontakt gebracht werden, und die entstehenden Atome werden in einem magnetischen Feld (z. B. einer [[Penning-Falle]]) festgehalten und gesammelt, wo sie für Spektroskopie und andere Experimente zur Verfügung stehen.

== Forschungsgeschichte ==
Ende 1995 gelang es am Forschungszentrum [[CERN]] bei [[Genf]] erstmals, einige Atome des Antiwasserstoffs zu erzeugen. Die Arbeitsgruppe unter [[Walter Oelert]] vom [[Forschungszentrum Jülich]] setzte dazu ein Antiproton als Kern mit einem Positron zusammen. In den beiden folgenden Jahren wiederholten und verbesserten Forscher am [[Fermilab]] in den USA das Experiment.<ref>G. Baur et al., 'Production of Antihydrogen', [[Physics Letters]] B, 368, S. 251–258 (1996); {{DOI|10.1016/0370-2693(96)00005-6}}; [http://ikpe1101.ikp.kfa-juelich.de/ps210/PL_paper_preprint.ps Preprint online].</ref>

Die am [[CERN]] und Fermilab erzeugten Teilchen waren noch zu „heiß“: Sie bewegten sich so schnell, dass sie für spektroskopische Untersuchungen ungeeignet waren. 2002 gelang es zwei internationalen Arbeitsgruppen am CERN, mit den Experimentiereinrichtungen [[Antiproton Decelerator#ATRAP (AD-2)|ATRAP]] und [[Antiproton Decelerator#ATHENA (AD-1)|ATHENA]], Antiwasserstoff in größeren Mengen (etwa 50.000 Atome) herzustellen. Dabei hat die ATHENA-Arbeitsgruppe unter der Führung des CERN-Physikers [[Rolf Landua]] die ATRAP-Arbeitsgruppe (unter [[Gerald Gabrielse]]) in dem „Wettlauf“ um die Detektion von kaltem Antiwasserstoff um einige Wochen geschlagen.<ref>Tom W. Hijmans: ''Particle physics: Cold antihydrogen'', Nature 419, 439-440 (3 October 2002) [[doi:10.1038/419439a]].</ref><ref>M. Amoretti, C. Amsler, G. Bonomi, A. Bouchta, P. Bowe, C. Carraro, C. L. Cesar, M. Charlton, M. J. T. Collier, M. Doser, V. Filippini, K. S. Fine, A. Fontana, M. C. Fujiwara, R. Funakoshi, P. Genova, J. S. Hangst, R. S. Hayano, M. H. Holzscheiter, L. V. Jørgensen, V. Lagomarsino, R. Landua, D. Lindelöf, E. Lodi Rizzini, M. Macrì, N. Madsen, G. Manuzio, M. Marchesotti, P. Montagna, H. Pruys, C. Regenfus, P. Riedler, J. Rochet, A. Rotondi, G. Rouleau, G. Testera, A. Variola, T. L. Watson, D. P. van der Werf: ''Production and detection of cold antihydrogen atoms'', Nature 419, 456-459 (3 October 2002) [[doi:10.1038/nature01096]].</ref>

Eine Speicherung in einer magnetischen Falle, einer modifizierten [[Ioffe-Falle]], für nähere Untersuchungen bei Temperaturen von einigen Grad über dem [[Absoluter Nullpunkt|absoluten Nullpunkt]] gelang im November 2010 einer internationalen Forschergruppe [[ALPHA (CERN)|ALPHA]] um [[Jeffrey Hangst]] von der [[Universität Aarhus]] am CERN. 38 Antiwasserstoffatome konnten für 172 ms untersucht werden.<ref name=Andresen> {{cite journal |author=Andresen, G. et al. |title=Trapped antihydrogen |journal=Nature |volume=468 |issue=7321 |doi=10.1038/nature09610 |date=2010 |language=en}}</ref> Im Jahr 2011 gelang es, 309 Antiwasserstoffatome für über 1000 Sekunden (über 16 Minuten) zu speichern.<ref>{{cite journal |author=ALPHA Collaboration |title=Confinement of antihydrogen for 1000 seconds |journal=Cornell University |arxiv=1104.4982 |date=2011 |language=en}}</ref> Die erste Messung eines Übergangs in Antiwasserstoff wurde 2012 von der gleichen Gruppe veröffentlicht.<ref>{{cite journal |author=ALPHA Collaboration |title=Resonant quantum transitions in trapped antihydrogen atoms |journal=Nature |date=2012 |url=http://www.nature.com/nature/journal/v483/n7390/full/nature10942.html |language=en}}</ref> Im Folgeexperiment ALPHA-2 konnte 2016 mittels [[Laserspektroskopie]] der 1s-2s-Übergang vermessen werden. Pro Durchgang wurden dabei 25.000 Anti-Atome erzeugt und etwa 14 eingefangen,<ref name=":0">{{Literatur |Autor=M. Ahmadi, B. X. R. Alves, C. J. Baker, W. Bertsche, E. Butler, A. Capra, C. Carruth, C. L. Cesar, M. Charlton, S. Cohen, R. Collister, S. Eriksson, A. Evans, N. Evetts, J. Fajans, T. Friesen, M. C. Fujiwara, D. R. Gill, A. Gutierrez, J. S. Hangst, W. N. Hardy, M. E. Hayden, C. A. Isaac, A. Ishida, M. A. Johnson, S. A. Jones, S. Jonsell, L. Kurchaninov, N. Madsen, M. Mathers, D. Maxwell, J. T. K. McKenna, S. Menary, J. M. Michan, T. Momose, J. J. Munich, P. Nolan, K. Olchanski, A. Olin, P. Pusa, C. Ø. Rasmussen, F. Robicheaux, R. L. Sacramento, M. Sameed, E. Sarid, D. M. Silveira, S. Stracka, G. Stutter, C. So, T. D. Tharp, J. E. Thompson, R. I. Thompson, D. P. van der Werf, J. S. Wurtele |Titel=Observation of the 1S–2S transition in trapped antihydrogen |Sammelwerk=[[Nature]] |Band=Accelerated Article Preview Published |Datum=2016-12-19 |DOI=10.1038/nature21040 |Online=[ Online] |Sprache=en}}</ref> im Jahr 2017 waren es im Verlauf von zehn Wochen rund 15.000 Antiatome, die untersucht werden konnten.<ref name="Nature2018"/>

Die Speicherung von Antiwasserstoff in einer neutralen Falle ist notwendig, um die Antiatome z. B. mittels [[Laserkühlung]] oder mittels sympathetischer Kühlung (Kühlung anderer Atome oder Ionen, die als [[Kühlmittel]] dienen) auf Temperaturen von einigen Millikelvin oder gar Mikrokelvin zu kühlen und um dann hochauflösende [[Laserspektroskopie]] an Antiwasserstoff durchzuführen.<ref name=Gabrielse-1> {{cite journal |author=G. Gabrielse et al. |title=Background-Free Observation of Cold Antihydrogen with Field-Ionization Analysis of Its States |journal=Phys Rev Lett |volume=89 |issue=21 |pages=213401 |doi=10.1103/PhysRevLett.89.213401 |pmid=12443407 |date=2002 |language=en}}</ref><ref name=Gabrielse-2> {{cite journal |author=G. Gabrielse et al. |title=Driven production of cold antihydrogen and the first measured distribution of antihydrogen states |journal=Phys Rev Lett |volume=89 |issue=23 |pages=233401 |doi=10.1103/PhysRevLett.89.233401 |pmid=12485006 |date=2002 |language=en}}</ref><ref name=Gabrielse-3> {{cite journal |author=G. Gabrielse et al. |title=First Measurement of the Velocity of Slow Antihydrogen Atoms |journal=Phys Rev Lett |volume=93 |issue=7 |pages=073401 |doi=10.1103/PhysRevLett.93.073401 |pmid=15324235 |date=2004 |language=en}}</ref><ref name=Storry> {{cite journal |author=C. H. Storry et al. |title=First Laser-Controlled Antihydrogen Production |journal=Phys Rev Lett |volume=93 |issue=26 |pages=263401 |doi=10.1103/PhysRevLett.93.263401 |pmid=15697977 |date=2004 |language=en}}</ref>
Das Ziel der Laserspektroskopie ist eine Messung der 1s-2s-Linie mit einer vergleichbaren Auflösung, wie sie in der Arbeitsgruppe von [[Theodor W. Hänsch]] an Wasserstoff erreicht wird.

Am ALPHA-2-Experiment wurde die Gleichheit der Übergangsfrequenzen von Wasserstoff und Antiwasserstoff und damit die Vorhersage des CPT-Theorems zunächst mit einer Genauigkeit von 2 · 10−10 bestätigt,<ref name=":0" /> im Jahr 2017 dann sogar mit einer Genauigkeit von 2 · 10−12.<ref name="Nature2018">{{Literatur |Autor=M. Ahmadi, B. X. R. Alves, C. J. Baker, W. Bertsche, A. Capra, C. Carruth, C. L. Cesar, M. Charlton, S. Cohen, R. Collister, S. Eriksson, A. Evans, N. Evetts, J. Fajans, T. Friesen, M. C. Fujiwara, D. R. Gill, J. S. Hangst, W. N. Hardy, M. E. Hayden, C. A. Isaac, M. A. Johnson, J. M. Jones, S. A. Jones, S. Jonsell, A. Khramov, P. Knapp, L. Kurchaninov, N. Madsen, D. Maxwell, J. T. K. McKenna, S. Menary, T. Momose, J. J. Munich, K. Olchanski, A. Olin, P. Pusa, C. Ø. Rasmussen, F. Robicheaux, R. L. Sacramento, M. Sameed, E. Sarid, D. M. Silveira, G. Stutter, C. So, T. D. Tharp, R. I. Thompson, D. P. van der Werf & J. S. Wurtele |Titel=Characterization of the 1S–2S transition in antihydrogen |Sammelwerk=[[Nature]] |Band=Accelerated Article Preview Published |Datum=2018-04-04 |DOI=10.1038/s41586-018-0017-2 |Online=[ Online] |Sprache=en}}</ref>

Zur Messung der Schwerkraftwirkung auf Antiwasserstoff wurde unter anderem das [[Antiproton Decelerator#AEGIS (AD-6)|AEgIS]]-Experiment („Antihydrogen Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy“) am [[Antiproton Decelerator]] im CERN entwickelt.<ref>[https://aegis.web.cern.ch/home.html Beschreibung des Experiments auf der Website des AEgIS-Projekts] Zugriff 7. Juli 2022</ref>

== Siehe auch ==
* [[Facility for Antiproton and Ion Research|Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR)]]

== Einzelnachweise ==
<references />

== Weblinks ==
{{Wiktionary}}
* [http://ikpe1101.ikp.kfa-juelich.de/ps210/home_german.html Beschreibung des Projektes im Forschungszentrum CERN]
* [http://athena.web.cern.ch/athena/ Direktlink zum ATHENA Projekt, CERN]

{{Normdaten|TYP=s|GND=4581430-2}}

[[Kategorie:Atomphysik]]
[[Kategorie:Teilchenphysik]]
[[Kategorie:Wasserstoff]]

Antiwasserstoff - Versionsgeschichte

imported>Ulanwp: 9 fehlende Sprachparameter eingefügt; 14 leere Parameter entfernt