CERN gelingt "Quantensprung" bei Antimaterie-Experiment
Forschern und Forscherinnen der Forschungseinrichtung CERN ist ein physikalischer Durchbruch gelungen. Sie konnten ein Antimaterie-Teilchen - im konkreten Fall ein Antiproton - für fast eine Minute lang zwischen 2 verschiedenen Quantenzuständen hin- und herwechseln lassen. Es ist damit die erste Demonstration eines einzelnen Antimaterie-Quantenbits.
Quantenbits, auch Qubits genannt, sind ein essenzieller Bestandteil von Quantencomputern. Während die Bits herkömmlicher Computer nur 2 Zustände einnehmen können (0 und 1), können Qubits eine Vielzahl von Zuständen einnehmen. Das macht es zumindest theoretisch möglich, Berechnungen durchzuführen, die mit herkömmlichen Computern nicht oder viel zu langsam durchführbar wären.
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Grundlagenphysik
Das Antiproton, das im CERN hergestellt wurde, hat allerdings wenig mit den Qubits im Quantencomputer zu tun und ist viel mehr für die Grundlagenforschung interessant. Bei dem Experiment beschränkte man sich nämlich auf die 2 Zustände des Spin. Dieser kann entweder nach oben oder nach unten gerichtet sein und richtet sich, ähnlich wie ein kleiner Magnet, nach einem Magnetfeld aus, das um das Teilchen herum erzeugt wird.
Ändert sich dieser Spin von "nach oben" zu "nach unten", spricht man von einem kohärenten Quantenübergang. Solche Übergänge konnten bisher bereits in großen Ansammlungen von Teilchen beobachtet werden, allerdings noch nie in einem einzelnen Kernteilchen - obwohl das in den Physikbüchern meist beschrieben ist.
Gefangenes Teilchen
Dem Forschungsteam gelang das, indem sie ein System ausgeklügelter elektromagnetischer Fallen entwickelten, in denen sie das Antiproton einfingen. Und nicht nur das: Die sogenannte Spin-Kohärenzzeit, also die Zeit, in dem das Teilchen zwischen den verschiedenen Spins hin- und herwechselt, betrug beim Experiment 50 Sekunden. Je länger so ein Experiment dauert und der gewünschte Zustand aufrechterhalten werden kann, desto genauere Messungen kann man durchführen.
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Was nützt es nun, ein Antiproton für 50 Sekunden lang in einer Teilchenfalle gefangenzuhalten? Damit lassen sich fundamentale Gesetze der Physik testen, unter anderem das CPT-Theorem. Das besagt, dass sich Materie und Antimaterie quasi gespiegelt, aber dennoch identisch verhalten. Ein Antiproton hat so z.B. eine negative Ladung, das Proton eine positive. Zeigt der Spin beim Antiproton nach oben, zeigt er beim Proton nach unten.
Geheimnis von Antimaterie auf der Spur
Zudem haben beide Teilchen dieselbe Masse. Aus Beobachtungen des Universums wissen wir aber, dass es deutlich mehr Antimaterie als Materie gibt. Dem Grund dafür sind Forscher noch auf der Spur. Experimente wie solche am CERN können dabei helfen, diese fundamentale Frage zu beantworten.