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Projektleiter Frank Wienholtz (rechts) und Doktorand Jonas Fischer arbeiten am Supermagneten.
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Projektleiter Frank Wienholtz (rechts) und Doktorand Jonas Fischer arbeiten am Supermagneten.

Teilchenforschung

Ein Transporter für Antimaterie

  • Claudia Kabel
    VonClaudia Kabel
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An der Technischen Universität Darmstadt wird eine tonnenschwere Apparatur gebaut, um erstmals Protonen von Antiteilchen in großer Menge von Labor zu Labor bringen zu können

Materie ist überall um uns herum, ihr Spiegelbild, die Antimaterie, ist jedoch nur bei bestimmten Prozessen in der Natur zu beobachten. In aufwendigen Verfahren wird sie in Forschungseinrichtungen wie der Europäischen Organisation für Kernforschung Cern in der Nähe von Genf hergestellt und untersucht. Jetzt soll sie zum ersten Mal transportiert werden. Ermöglicht wird dies durch ein Projekt an der Technischen Universität (TU) Darmstadt. Hier wird derzeit eine Transportapparatur gebaut, deren Kernelement ein 4,8 Tonnen schwerer Magnet ist.

Die 340 Quadratmeter große Halle aus den 1960er Jahren reiht sich unspektakulär in den TU-Campus in der Darmstädter Innenstadt zwischen Studierendenwerk und Universitäts- und Landesbibliothek ein. Nur ein kleines Schild an der Eingangstür weist darauf hin, dass sich hier das PUMA-Labor befindet. „PUMA“ steht für „antiProton Unstable antiMatter Annihilation“. In der Halle stehen Paletten, Schreibtische, Kisten, Leitern und allerhand Gerätschaften, deren Gebrauch sich nicht sofort erschließt. Hinter einer Absperrkette thront das Prunkstück: Der supraleitende Magnet, 1,70 Meter lang, 1,40 Meter im Durchmesser und knallblau, erinnert er an eine überdimensionale liegende Regentonne.

Angeliefert und installiert wurde er von der Würzburger Firma Bilfinger Noell, einem Anbieter für Speziallösungen und Hightech-Sondermaschinen. Er ist der erste für den Straßentransport von Antimaterie gebaute Magnet, welcher krygenfrei – also ohne Zufuhr von flüssigem Helium – funktioniert. In seiner Mitte befindet sich eine 29 Zentimeter große röhrenförmige Öffnung. Hier soll später die Ionenfalle – mehrere aneinandergereihte Metallzylinder von insgesamt etwa einem Meter Länge – eingeschoben werden. Diese elektromagnetische Flasche – die Ionenfalle – wird aus zwei Kammern bestehen. „Eine, in der die Antiprotonen gespeichert werden und eine für Experimente“, erklärt Frank Wienholtz. Er ist der Leiter des Projekts und die rechte Hand von Professor Alexandre Obertelli, der die Antimaterieforschung 2018 nach Darmstadt geholt hat.

Derzeit läuft noch die Detailplanung, auch soll ein neues Labor für die Arbeitsgruppe an der TU gebaut werden, berichtet Wienholtz. Viele Teile seien bereits bestellt, auf einiges warte man noch. Auch die Forschenden – an dem Projekt arbeiten in Darmstadt außer Obertelli und Wienholtz noch zwei Wissenschaftliche Mitarbeiter sowie vier Doktoranden und zwei Masterstudenten mit – werden durch die Corona-Pandemie ausgebremst.

„Antimaterie zu speichern, auch über viele Tage und Monate, geht schon lange und wird am Cern auch gemacht“, sagt Wienholtz. Die jetzige Herausforderung liege darin, eine große Anzahl von Antiprotonen zu transportieren. Konkret gehe es um eine Milliarde Antiteilchen von Protonen. Das hört sich viel an – und ist für Ionenphysiker auch sehr viel – bewegt sich jedoch in Bereichen eines zehnmillionstels eines zehnmillionstels (eine 1 mit 14 Nullen) eines Grammes Antiwasserstoffs. Um diese Antiteilchen, beziehungsweise ihre Wirkungsweise in Bezug auf die Struktur von radioaktiven Atomkernen zu untersuchen, braucht es spezielle Labore, in denen Experimente stattfinden können.

Antimaterie-Forschung

1898 wurde der Begriff Antimaterie erstmals vom Physiker Arthur Schuster verwendet. Er spekulierte über Sternensysteme aus Antimaterie, die von unserer Materie durch Beobachtung nicht unterscheidbar wären. Schon 1892 hatte Karl Pearson sowie William Mitchinson Hicks in den 1880er Jahren von möglicher „negativer Materie“ gesprochen. Alexandre Obertelli wurde 2018 mit der Humboldt-Professur der Alexander von Humboldt Stiftung ausgezeichnet, was mit Forschungsmitteln von fünf Millionen Euro verbunden ist. Das Geld wird teils für die Einrichtung eines neuen Labors an der TU Darmstadt verwendet. Außerdem wurde der Wissenschaftler vom Europäische Forschungsrat mit dem ERC Consolidator Grant ausgezeichnet. Die Förderung ist mit 2,55 Millionen Euro verbunden. Dadurch konnte die TU Darmstadt im Institut für Kernphysik ihre Forschung auf den Bereich Antimaterie ausweiten. Im PUMA-Projekt geht es darum, Antiprotonen, also Antiteilchen von Protonen, zu lagern und zu transportieren, um sie für Versuche zur Erforschung der Struktur von radioaktiven Atomkernen zu verwenden. Beteiligt sind rund 40 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter von 13 verschiedenen Forschungseinrichtungen und Universitäten. Cern , die Europäische Organisation für Kernforschung, ist eines der größten und renommiertesten Zentren für physikalische Grundlagenforschung der Welt. Hier suchen Forschende nach den fundamentalen Gesetzen des Universums. Cern nutzt die weltweit größten und komplexesten Geräte, um die kleinsten Bestandteile der Materie zu erforschen: die Elementarteilchen. cka

Da die dafür benötigten Apparaturen zum Teil sehr viel Platz einnehmen – etwa der 27 Kilometer lange Teilchenbeschleuniger am Cern – wäre es gut, wenn Antimaterie von einer Forschungseinrichtung zur nächsten transportiert werden könnte. Durch die Apparatur, die jetzt im hessischen Darmstadt entsteht, könnte dies bald möglich sein.

Das Problem mit der Antimaterie: Sobald ein Teilchen und sein Antiteilchen zusammentreffen, zerstrahlen sie. Dabei wird Energie freigesetzt. Deswegen muss in der Ionenfalle ein Vakuum erzeugt werden, das „besser ist als im Universum“, so der Physiker. Es muss nahezu frei von Teilchen sein. „Das Vakuum, das wir in der Falle erreichen wollen, würde noch vier atomare Teilchen enthalten, deutlich weniger als das Vakuum des Universums“, so der Kernphysiker.

Um dieses Vakuum herzustellen, braucht es sehr effiziente Vakuumpumpen. Eine verbreitete Möglichkeit ist, die Elektroden der Ionenfalle auf -270 Grad Celcius abzukühlen, damit die Gas-atome an der Oberfläche ausfrieren. Zusätzlich braucht es einen supraleitenden Magneten. Er erzeugt ein vier Tesla starkes Magnetfeld, was etwa der 100 000-fachen Stärke des Erdmagnetfeldes entspricht. Weil bei konventionellen Magneten dabei große Wärme entstehen würde, sind die Spulen aus supraleitendem Material, welches den Strom ohne Widerstand leitet. Die Spulen müssen dafür jedoch permanent gekühlt werden. Im Innern herrschen minus 269 Grad Celsius, was durch die Komprimierung und Ausdehnung von Helium erreicht wird.

Um all dies zu betreiben, wird die Apparatur während des Transports auf einem Lastwagen über eine Batterie betrieben. Ein Risiko, etwa dass das flüssige Helium sich erwärmt und explosionsartig ausdehnt oder dass alle Metallgegenstände in der Nähe angesaugt werden, bestehe hierbei nicht, sagt Wienholtz. Bereits einen halben Meter entfernt sei die Anziehung nur noch sehr schwach.

Zunächst sind solche Antimaterietransporte nur innerhalb des Cern-Geländes von einem Labor zum nächsten geplant. Die ersten Experimente sind für 2022 vorgesehen. „Viele Fragestellungen zur Erforschung der Antimaterie haben sich noch gar nicht ergeben, weil es noch nicht möglich war, sie zu transportieren“, sagt Wienholtz. „Dies könnte sich ändern, wenn wir einmal gezeigt haben, dass es gut klappt.“ Dann werde sich ein ganzes Feld neuer Forschungen ergeben, ist er überzeugt. Praktische Einsatzmöglichkeiten wären zum Beispiel in der medizinischen Krebstherapie vorstellbar.

Doch zunächst geht es laut Wienholtz um Grundlagenforschung. Unter anderem darum, was die Antimaterie von der Materie unterscheidet oder wie radioaktiven Isotope aufgebaut sind. Dazu wird etwa die Anordnung von Neutronen und Protonen im Kern untersucht oder getestet, ab welcher Neutronenzahl ein radioaktiver Stoff besondere zusätzliche Eigenschaften aufweist. Dies könnte etwa das Ausbilden eines Neutronenhalos sein. Dabei umkreist ein einzelnes Neutron den Atomkern in ungewöhnlich großem Abstand. Bereits die Erkenntnis kleinster Unterschiede zwischen Antimaterie und Materie könnten Rückschlüsse auf das Universum geben und erklären, warum wir Antimaterie nicht in der Menge finden, wie wir es erwarten würden, sagt Wienholtz.

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