Charakterisierung der (Anti)wasserstofferzeugung in ASACUSA

Zwei Durchbrüche im frühen 20. Jahrhundert standen am Beginn der modernen Physik: die Formulierung der Quantenmechanik und der speziellen Relativitätstheorie. Die Kombination dieser beiden Theorien führte Dirac im Jahr 1928 zur Aufstellung seiner berühmten Gleichung, welche die Existenz von Antimaterie voraussagte. In den folgenden Jahren wurden die vorhergesagten komplett symmetrischen Spiegelbilder der fundamentalen Teilchen sukzessive entdeckt. Materie- und Antimaterieteilchen können aus freier Energie in einem Paarerzeugung genannten Prozess erzeugt werden. Falls alle uns umgebende Materie durch diesen Erzeugungsprozess im frühen Universum entstand bleibt es ein Mysterium, wo die Antimaterie geblieben ist da es keine experimentelen Hinweise auf deren Existenz im Universum gibt. Eine mögliche Erklärung besteht darin, dass die Symmetrie zwischen Materie und Antimaterieteilchen nicht so perfekt ist wie von der Theorie vorausgesagt. Ein ideales System, um dieser Frage nachzugehen, ist Antiwasserstoff, das einfachste nur aus Antimaterie bestehende Atom. Die Untersuchung von Antiatomen erlaubt die Anwendung hochpräziser, etablierter Spektroskopiemethoden, dank derer Wasserstoff eines der am genauesten bekannten physikalischen Systemen ist. Aus diesem Grund erhält Antiwasserstoff gegenwertig sehr viel Aufmerksamkeit. Das Stefan-Meyer-Institut der österreichischen Akademie der Wissenschaften ist Teil der internationalem ASACUSA Kollaboration (mit Partnern aus Japan, Italien, und der Schweiz) am Antiproton Decelerator des CERN und ist federführend an einem Experiment zur Messung der sogenannten Hyperfeinauspaltung von Antiwasserstoff beteiligt. Das Experiment, das mithilfe eines Antiwasserstoffstrahles durchgeführt wird, verspricht eine der genausten Überprüfungen der Materie-Antimateriesymmetrie. Die Erzeugung eines Antiwasserstoffstrahles genügender Intensität ist noch nicht gelungen. Um dies zu beschleunigen ist es entscheidend, die dazu benutzen Prozesse auch mit normaler Materie zu studieren, da die Verfügbarkeit von Antimaterie sehr beschränkt ist. Dazu kommt, dass an einer Großforschungseinrichtung wie CERN die Verfügbarkeit oft durch längere Perioden zur Wartung und Verbesserung der Anlagen unterbrochen ist. So findet die nächste Wartungsperiode am CERN in den Jahren 2019 und 2020 statt. Konsequenterweise ist es von höchster Wichtigkeit, in dieser Zeit Experimente mit Materie durchführen zu können um dem Ziel einer Hyperfeinstrukturmessung näher zu kommen. Das gemeinsame FWF-JSPS Projekt dient dazu, die ASACUSA Apparatur in einen Zustand zu versetzen, während des Unterbruchs am CERN Messungen mit Materie durchführen zu können. Die sehr viel häufigere Verfügbarkeit von Materie wird es erlauben, umfassendere Studien des Erzeugungsprozesses durchzuführen als dies mit der seltenen Antimaterie möglich ist. Im dritten Jahr des Projektes können die optimierten Verfahren dann zur Erzeugung von Antiwassertoff genutzt werden und dazu beitragen, die ersten Messungen der Hyperfeinstruktur von Antiwasserstoff in einem feldfreien Raum ermöglichen.