Eine Illustration zeigt die Entstehung von Antiwasserstoff-4 bei einer Kollision zwischen zwei Bleikugeln.(Bildnachweis: Janik Ditzel für die ALICE-Kollaboration)
Das größte wissenschaftliche Experiment der Welt hat es wieder geschafft: Es wurden Hinweise auf das schwerste Antimaterieteilchen entdeckt, das je gefunden wurde.
Das bedeutet, dass der Large Hadron Collider (LHC), der leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger, der je gebaut wurde, den Wissenschaftlern einen Einblick in die Bedingungen gewährt hat, die herrschten, als das Universum weniger als eine Sekunde alt war. Das Antimaterieteilchen ist der Partner eines massiven Materieteilchens namens Hyperhelium-4, und seine Entdeckung könnte den Wissenschaftlern helfen, das Rätsel zu lösen, warum die normale Materie das Universum beherrscht, obwohl Materie und Antimaterie zu Beginn der Zeit in gleichen Mengen entstanden sind.
Dieses Ungleichgewicht wird als „Materie-Antimaterie-Asymmetrie“ bezeichnet. Materie- und Antimaterieteilchen vernichten sich bei Kontakt und geben ihre Energie wieder an den Kosmos ab. Das bedeutet, dass der Kosmos viel leerer und uninteressanter gewesen wäre, wenn es nicht schon früh im Universum ein Ungleichgewicht zwischen beiden gegeben hätte.
Der LHC ist kein Unbekannter, wenn es um paradigmenverändernde Entdeckungen über das frühe Universum geht. Der LHC, der in einer 27 km langen Schleife unter den Alpen in der Nähe von Genf (Schweiz) verläuft, ist vor allem für die Entdeckung des Higgs-Boson-Teilchens bekannt, des „Boten“ des Higgs-Feldes, das anderen Teilchen seit Anbeginn der Zeit ihre Masse verleiht.
Die im LHC stattfindenden Kollisionen erzeugen einen Materiezustand, der „Quark-Gluon-Plasma“ genannt wird. Dieses dichte Plasmameer entspricht der „Ursuppe“ der Materie, die das Universum etwa eine Millionstel Sekunde nach dem Urknall ausfüllte.
Exotische „Hypernuklei“ und ihre Antimaterie-Gegenstücke tauchen aus diesem Quark-Gluon-Plasma auf und ermöglichen den Wissenschaftlern einen Einblick in die Bedingungen des frühen Universums.
ALICE durch den Schauglas
Hyperkerne enthalten Protonen und Neutronen wie gewöhnliche Atomkerne und auch instabile Teilchen, die „Hyperonen“ genannt werden. Wie Protonen und Neutronen bestehen auch Hyperonen aus fundamentalen Teilchen, die „Quarks“ genannt werden. Während Protonen und Neutronen zwei Arten von Quarks enthalten, die als Up- und Down-Quarks bekannt sind, enthalten Hyperonen ein oder mehrere so genannte „strange quarks“.
Hyperkerne wurden erstmals vor etwa sieben Jahrzehnten in kosmischen Strahlen entdeckt, Schauern geladener Teilchen, die aus den Tiefen des Weltraums auf die Erde niedergehen. Sie sind jedoch in der Natur nur selten anzutreffen und lassen sich im Labor nur schwer herstellen und untersuchen. Dies hat sie zu einem gewissen Mysterium gemacht.
Ein Bild des ALICE-Detektors, aufgenommen während der LHC-Upgrades im Jahr 2019 (Bildnachweis: Robert Lea)
Die Entdeckung des ersten Nachweises eines Hypernukleus, der ein Antimaterie-Gegenstück zu Hyperhelium-4 ist, wurde am LHC-Detektor ALICE gemacht. Während die meisten der neun Experimente am LHC, von denen jedes über einen eigenen Detektor verfügt, ihre Ergebnisse durch die Kollision von Protonen bei annähernder Lichtgeschwindigkeit erzielen, erzeugt die ALICE-Kollaboration Quark-Gluon-Plasma, indem sie viel schwerere Teilchen, in der Regel Bleikerne oder „Ionen“, miteinander kollidieren lässt. Bis vor kurzem war es Wissenschaftlern, die Schwerionenkollisionen durchführten, jedoch nur gelungen, den leichtesten Hypernukleus, das Hypertriton, und seinen Antimateriepartner, das Antihypertriton, zu beobachten.
Bis Anfang 2024, als Wissenschaftler den Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) in New York nutzten, um Anti-Hyperwasserstoff-4 nachzuweisen, das aus einem Antiproton, zwei Antineutronen und einem Quark-haltigen Teilchen namens „Antilambda“ besteht.
Nun hat ALICE ein schwereres Anti-Hypernukleus-Teilchen, Antihyperhelium-4, nachgewiesen, das aus zwei Antiprotonen, einem Antineutron und einem Antilambda besteht.
Eine Illustration von Antimaterieteilchen, die in den ALICE-Detektor am Large Hadron Collider eintreten. (Bildnachweis: ORIGINS Cluster/S. Kwauka)
Die Blei-Blei-Kollision und die ALICE-Daten, die zum Nachweis des bisher schwersten Antimaterie-Hypernukleus am LHC geführt haben, stammen eigentlich aus dem Jahr 2018.
Die Signatur von Antihyperhelium-4 wurde durch seinen Zerfall in andere Teilchen und den Nachweis dieser Teilchen aufgedeckt. Die ALICE-Wissenschaftler haben die Signatur von Antihyperhelium-4 aus den Daten mithilfe einer maschinellen Lerntechnik herausgelesen, die die üblichen Suchtechniken der Kollaboration übertrifft.
Neben dem Nachweis von Antihyperhelium-4 und Antihyperwasserstoff-4 war das ALICE-Team auch in der Lage, deren Massen zu bestimmen, die gut mit den aktuellen Theorien der Teilchenphysik übereinstimmten.
Die Wissenschaftler konnten auch die Mengen dieser Teilchen bestimmen, die bei Blei-Blei-Kollisionen entstehen.
Sie fanden heraus, dass diese Zahlen mit den ALICE-Daten übereinstimmen, was darauf hindeutet, dass Antimaterie und Materie in gleichen Mengen aus Quark-Gluon-Plasma erzeugt werden, das bei den Energieniveaus, die der LHC erreichen kann, produziert wird.
Der Grund für das Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie im Universum ist nach wie vor unbekannt, aber Antihyperhelium-4 und Antihyperwasserstoff-4 könnten wichtige Hinweise auf dieses Geheimnis liefern.
