Meilenstein für die Erzeugung von Antiwasserstoff: neue Zweifrequenz-Paul-Falle getestet

Eine neuartige Radiofrequenzfalle ermöglicht es, Teilchen mit extrem unterschiedlichen Eigenschaften einzufangen und könnte theoretisch beide Arten gleichzeitig halten. Forschenden um Prof. Dr. Dmitry Budker von der JGU Mainz und dem Helmholtz-Institut Mainz gelang es bereits, Kalziumionen oder Elektronen in derselben Vorrichtung zu binden, was das Potenzial dieser Technologie für die Synthese von Antiwasserstoff verdeutlicht. „Radiofrequenzfallen, auch Paul-Fallen genannt, werden von Physikerinnen und Physikern seit langem genutzt, um bestimmte Teilchen einzufangen“, sagt Dr. Hendrik Bekker aus der Gruppe um Budker. „Allerdings sind sie in der Regel auf eine einzige Frequenz beschränkt.“ Dies limitiert herkömmliche Fallen auf eine Teilchenart, während für Antiwasserstoff Antiprotonen und Positronen simultan eingeschlossen werden müssten. Da Positronen aufgrund ihrer geringen Masse GHz-Felder benötigen und Antiprotonen MHz-Felder, nutzte das Team in der Studie Elektronen und Kalziumionen als leichter verfügbare Platzhalter für diese Teilchen.

Zweifrequenz-Falle für Ionen und Elektronen

Die in Kooperation mit der University of California, Berkeley und weiteren Gruppen der JGU entwickelte Zweifrequenz-Paul-Falle muss zur Speicherung von Kalziumionen und Elektronen gleichzeitig Magnetfelder im GHz- und MHz-Bereich erzeugen. Das Team um Hendrik Bekker nutzt hierfür drei übereinanderliegende Leiterplatten, wobei ein Resonator auf der mittleren Platte das Feld für Elektronen generiert, während segmentierte Elektroden auf den äußeren Platten das MHz-Feld für die Ionen bereitstellen. Die Partikel werden mittels Laser-Photoionisierung erzeugt und für Zeiträume von Millisekunden bis Sekunden gespeichert, bevor sie extrahiert werden. „Mit dieser Technik haben wir Elektronen oder Ionen gespeichert. Das Einfangen beider Teilchen gleichzeitig erwies sich als schwierig“, sagt Bekker. Während Ionen kaum auf das Hochfrequenzfeld reagieren, entweichen Elektronen bei steigender Amplitude des Niederfrequenzfeldes leichter aus der Falle.

Zusätzliche mechanische Hürden wie Oberflächenrauheit und elektrostatische Aufladung begrenzen derzeit noch die Effizienz des Systems. Zukünftige Generationen der Vorrichtung sollen daher über lasergeätzte, glattere Elektroden mit optimierter thermischer Stabilität verfügen, um diese Einschränkungen zu überwinden.

Vision Antiwasserstoff: Präzisionsforschung mit der Zweifrequenzfalle

Das Ziel der Forschenden ist es, mit der neuen Zweifrequenzfalle Antiprotonen und Positronen gleichzeitig einzufangen und zu Antiwasserstoff zu kombinieren. Bisher dient ausschließlich die „Antimatter Factory“ (AMF) am CERN als Quelle für diesen Stoff. Bekker: „Antiwasserstoff ist so etwas wie der Heilige Gral in der Antimaterieforschung. Durch seine einzigartig einfache Zusammensetzung – nur ein Antiproton und ein Positron – lässt er sich im Vergleich zu anderer Antimaterie relativ einfach erzeugen.“ Da das Gegenstück, der Wasserstoff, umfassend erforscht ist, bieten sich ideale Vergleichsmöglichkeiten. Dmitry Budker blickt zudem optimistisch auf die Logistik: „Der jüngste Erfolg beim Transport von Antiprotonen mit einem Lkw hat gezeigt, dass die Lieferung von Antiprotonen an Forscher weit entfernt vom CERN machbar ist, auch wenn noch technische Herausforderungen wie die langfristige kryogene Kühlung zu lösen sind.“

Hendrik Bekker und sein Team widmen sich derweil den verbleibenden technischen Hürden und den daraus resultierenden wissenschaftlichen Chancen. „Während wir unsere Falle weiterentwickeln, werden wir eine Reihe faszinierender Experimente durchführen können“, so Bekker. „Die theoretische Physik sagt uns beispielsweise, dass Positronen an Atome binden können sollten – wenn auch nur für einen extrem kurzen Moment. Wir könnten diese Theorie vielleicht zum ersten Mal in einem experimentellen Rahmen überprüfen.“

Quelle

Johannes Gutenberg-Universität Mainz (04/2026)