Einem Forschungsteam in den USA ist ein wichtiger Fortschritt bei der Untersuchung von Antimaterie gelungen. Die Wissenschaftler konnten ein einzelnes Positron über Monate in einer elektromagnetischen Falle festhalten und seine Quantenzustände gezielt verändern. Dabei beobachteten sie einzelne Quantensprünge des Teilchens. Die Ergebnisse wurden am Mittwoch, 21. Oktober 2026, im Fachjournal Physical Review Letters veröffentlicht.
Die Forscher der Northwestern University im US-Bundesstaat Illinois entwickelten dafür eine Versuchsanordnung, die sie als Ein-Positron-Quantenzyklotron bezeichnen. Das Experiment soll künftig besonders genaue Messungen ermöglichen, mit denen sich grundlegende Annahmen der Teilchenphysik überprüfen lassen.
Ein Positron ist das Antiteilchen des Elektrons. Beide besitzen dieselbe Masse, unterscheiden sich aber unter anderem durch ihre elektrische Ladung. Treffen sie aufeinander, vernichten sie sich gegenseitig. Dabei wird Energie freigesetzt.
Ein Positron in einer Falle über längere Zeit zu speichern, erfordert deshalb eine nahezu vollständige Abschirmung von gewöhnlicher Materie. Das Team um den Physiker Gerald Gabrielse nutzte dafür eine sogenannte Penning-Falle. Elektrische und magnetische Felder halten das geladene Teilchen innerhalb einer Vakuumkammer fest, ohne dass es die Wände berührt.
Das Positron stammt aus dem radioaktiven Zerfall von Natrium-22. Vor dem Einfangen musste es stark abgebremst werden. Die Anlage wurde auf etwa 0,3 Kelvin gekühlt. Das entspricht ungefähr minus 272,85 Grad Celsius und liegt nur knapp über dem absoluten Temperaturnullpunkt.
Nach Angaben der Forscher ließ sich ein einzelnes Positron unter diesen Bedingungen über mehrere Monate speichern.
Entscheidend ist nicht allein die lange Speicherdauer. Die Wissenschaftler konnten auch die Bewegung und den quantenmechanischen Zustand des Positrons kontrollieren.
Innerhalb des starken Magnetfeldes bewegt sich das Teilchen auf einer kreisförmigen Bahn. Für diese Bewegung sind nur bestimmte Energieniveaus erlaubt. Durch gezielte Mikrowellenimpulse versetzten die Forscher das Positron von einem Niveau in ein anderes.
Die dabei auftretenden Quantensprünge konnten sie anhand kleiner Veränderungen der Schwingungsfrequenz nachweisen. Auch Änderungen des sogenannten Spins, einer quantenmechanischen Eigenschaft des Teilchens, wurden registriert. Die Messungen erfolgten, ohne das Positron aus seiner Falle entfernen zu müssen.
Damit gelang erstmals die Realisierung eines Ein-Positron-Quantenzyklotrons, bei dem die niedrigsten Energiezustände und Spinänderungen eines einzelnen Positrons gezielt untersucht werden können.
Der Aufbau eröffnet den Forschern die Möglichkeit, das magnetische Moment des Positrons künftig genauer zu bestimmen. Diese Eigenschaft beschreibt vereinfacht, wie sich das Teilchen in einem Magnetfeld verhält.
Anschließend sollen die Ergebnisse mit entsprechenden Messungen am Elektron verglichen werden. Nach der sogenannten CPT-Symmetrie müssen Teilchen und Antiteilchen bestimmte übereinstimmende Eigenschaften besitzen. Dazu gehören gleich große magnetische Momente mit entgegengesetztem Vorzeichen.
Ein nachgewiesener Widerspruch könnte grundlegende physikalische Theorien infrage stellen. Bislang gibt es jedoch keinen solchen Befund aus dem neuen Experiment. Die jetzt veröffentlichte Arbeit schafft zunächst die technischen Voraussetzungen für genauere Untersuchungen.
Hinter den Experimenten steht auch eine bislang ungelöste Frage der Physik: Warum besteht das beobachtbare Universum überwiegend aus Materie, obwohl bei der Entstehung des Kosmos nach gängigen theoretischen Annahmen auch große Mengen Antimaterie entstanden sein müssten?
Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt viele Eigenschaften und Wechselwirkungen von Elementarteilchen mit hoher Genauigkeit. Die beobachtete Dominanz gewöhnlicher Materie kann es jedoch nicht vollständig erklären.
Die Wissenschaftler wollen deshalb nach möglichen Unterschieden zwischen Elektronen und Positronen suchen. Ihr neues Experiment ermöglicht dafür künftig deutlich empfindlichere Messungen. Ob sich dabei tatsächlich Abweichungen von den bisherigen theoretischen Vorhersagen zeigen, ist offen.
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