Die Atombrunnenuhr soll die Geheimnisse der Antimaterie lösen

Die Forscher Joos Schoonwater und Edward Thorpe-Woods von der Swansea University haben einen neuen Cäsiumbrunnen entwickelt. Bildnachweis: Stefan Eriksson.

Ein Gerät, das eine Fontäne aus Cäsiumatomen erzeugt, könnte das Verständnis des Universums verbessern, indem es die Frequenz des von Antimaterie absorbierten Lichts misst.

Es wurde im Vereinigten Königreich mit Unterstützung des Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) gebaut und nun in der legendären CERN-Einrichtung installiert, um das bahnbrechende Antimaterie-Experiment Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA) zu unterstützen.

Die Swansea University leitete die britische Beteiligung an ALPHA, das vom EPSRC finanziert wurde. Die dänische Universität Aarhus hat mit Mitteln der Carlsberg-Stiftung zusätzliche Unterstützung bereitgestellt.

Die Cäsiumfontäne wird ALPHA dabei helfen, die Frequenz des von Antiwasserstoff (dem Antimaterie-Gegenstück des Wasserstoffs) absorbierten Lichts mit der gleichen Genauigkeit zu bestimmen, die bereits für Wasserstoff erreicht wurde. Dies ist von entscheidender Bedeutung für das Verständnis des Ausmaßes der Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie, einer wichtigen Frage im Zentrum der Funktionsweise des Universums.

Der Cäsiumbrunnen wurde im National Physical Laboratory (NPL), dem nationalen britischen Metrologieinstitut in Teddington, Middlesex, entworfen und gebaut.

Der Cäsiumbrunnen ist von einem etwa zwei Meter hohen Gehäuse umgeben. Lasergekühlte Cäsiumatome, die in einer Vakuumkammer gehalten werden, werden in ein magnetisch gesteuertes Rohr geschleudert, bevor sie wieder nach unten fallen.

Mikrowellenstrahlung misst die Frequenz, mit der diese Atome schwingen, auf die fünfzehnte Dezimalstelle genau.

Dadurch wird eine hochpräzise Referenz bereitgestellt, anhand derer ALPHA die Wechselwirkung von Antiwasserstoffatomen mit Laserlicht messen kann, wodurch die Frequenz des Lichts bestimmt werden kann, das Antiwasserstoff absorbiert.

Ziel ist es, eine Präzision zu erreichen, die gegenüber dem heutigen Wissensstand eine tausendfache Steigerung darstellt. Es wird erwartet, dass dies innerhalb der nächsten Jahre erreicht wird.

Dieser Cäsiumbrunnen ist einer der wenigen seiner Art weltweit und einzigartig in seiner Zuverlässigkeit und Robustheit, die entscheidend dafür sind, den Anforderungen standzuhalten, die ALPHA an ihn stellen wird.

Durch die Integration des Instruments in das Experiment vor Ort vermeidet ALPHA den Zugriff auf diese Art von Funktionen über eine Satellitenverbindung, wodurch Ungenauigkeiten bei den durchgeführten Messungen minimiert werden.

Die Ergebnisse werden zeigen, ob Wasserstoff und Antiwasserstoff im Einklang mit der herkömmlichen Theorie genau die gleichen (wenn auch spiegelbildlichen) Eigenschaften haben.

Dies könnte Aufschluss darüber geben, warum es heute im Universum scheinbar nur sehr wenig Antimaterie gibt, obwohl allgemein davon ausgegangen wird, dass beim Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren gleiche Mengen an Materie und Antimaterie entstanden sind.

Das Vereinigte Königreich ist ein wichtiger Partner bei ALPHA und die von der Cäsiumfontäne bereitgestellten Kapazitäten stärken den Status des Vereinigten Königreichs als globaler Marktführer auf dem Gebiet der Forschung im Bereich niederenergetischer Antimaterie.

Jane Nicholson, Executive Director für Research Base am EPSRC, sagte:

„Dieses aufregende Gerät wird die Rolle Großbritanniens als führendes Land in der Gemeinschaft der Forscher, die die Eigenschaften von Antimaterie untersuchen, weiter festigen.

„Die Atomfontänenuhr bietet eine überragende Genauigkeit bei der Messung der Frequenz des von Antimaterie absorbierten Lichts und zeigt, wie wichtig Investitionen in erstklassige Einrichtungen und die Rolle, die sie bei der Untermauerung bahnbrechender Entdeckungen spielen, sind. Sie ist ein hervorragendes Beispiel für die Zusammenarbeit zwischen akademischen und öffentlichen Forschungseinrichtungen.“ ”

Professor Stefan Erikssonvon der Swansea University, die das Cäsiumbrunnenprojekt von ALPHA leitet, sagt:

„Der neue Cäsiumbrunnen ist für unsere fortlaufenden Bemühungen, festzustellen, ob sich Wasserstoff und Antiwasserstoff gleich verhalten, von entscheidender Bedeutung.

„Hoffentlich wird das, was wir entdecken, das Verständnis der Grundbausteine ​​unseres Universums verbessern. Der Brunnen wird ALPHA auch dabei helfen, dem Vereinigten Königreich zu helfen, indem es Forscher ausbildet, die ihre Fähigkeiten – zum Beispiel in der Instrumentierung – auf landesweit wichtige Bereiche wie Quantentechnologien anwenden können. von denen erwartet wird, dass sie große Auswirkungen auf die Gesellschaft haben werden.“