Einige der größten Mysterien der Kosmologie beinhalten Antimaterie, aber sie ist schwer zu studieren, weil sie im Labor sehr schwer zu gewinnen ist. Nun hat eine Gruppe von Physikern einen relativ einfachen neuen Weg zur Erzeugung von Antimaterie skizziert, indem zwei Laser aufeinander gerichtet sind, um die Bedingungen in der Nähe eines Neutronensterns zu reproduzieren, indem Licht in Materie und Antimaterie umgewandelt wird.
Im Grunde klingt Antimaterie einfach – sie ist wie gewöhnliche Materie, nur dass ihre Teilchen die entgegengesetzte Ladung haben. Dieser grundlegende Unterschied hat jedoch einige wichtige Implikationen: Wenn sich Materie und Antimaterie jemals treffen, vernichten sie sich mit einem Energiestoß.
Tatsächlich hätte es das Universum vor Milliarden von Jahren zerstören sollen, aber offensichtlich tat es das nicht. Wie kam es also dazu, dass die Materie dominierte? Was hat den Ausschlag zu ihren Gunsten gegeben? Und wo ist die ganze Antimaterie geblieben?
Leider ist es aufgrund des Mangels und der Instabilität von Antimaterie schwierig, Antworten auf diese Fragen zu finden. Antimaterie entsteht auf natürliche Weise unter extremen Bedingungen wie Blitzeinschlägen oder in der Nähe von Schwarzen Löchern und Neutronensternen sowie künstlich auf riesigen Objekten wie dem Large Hadron Collider.
Doch jetzt haben die Forscher eine neue Methode entwickelt, um in kleinen Labors Antimaterie herzustellen. Obwohl das Team das Gerät noch bauen muss, zeigen Simulationen, dass dieses Prinzip machbar ist.
Bei dem neuen Gerät werden zwei starke Laser auf einen Kunststoffblock gefeuert. Dieser Block wird von winzigen Kanälen durchzogen, die nur Mikrometer breit sind. Wenn jeder Laser auf ein Ziel trifft, beschleunigt er eine Elektronenwolke im Material und lässt sie fliegen – bis sie mit einer Elektronenwolke kollidieren, die sich vom anderen Laser entfernt.
Diese Kollision erzeugt viele Gammastrahlen, und aufgrund der extrem schmalen Kanäle kollidieren auch Photonen eher miteinander. Dies wiederum erzeugt Ströme von Materie und Antimaterie, insbesondere Elektronen und deren Antimaterie-Äquivalent, Positronen. Schließlich fokussieren die Magnetfelder um das System die Positronen zu einem Antimateriestrahl und beschleunigen ihn auf extrem hohe Energien.
„Solche Prozesse können unter anderem in der Magnetosphäre von Pulsaren, also schnell rotierenden Neutronensternen, ablaufen“, sagt Studienautor Alexei Arefiev. „Mit unserem neuen Konzept könnten solche Phänomene zumindest teilweise im Labor simuliert und so besser verstanden werden.“
Das Team behauptet, dass die neue Methode sehr effektiv ist und 100.000 Mal mehr Positronen produziert als ein einzelner Laser, und die Eingangslaser müssen nicht sehr leistungsstark sein. Der dabei entstehende Antimateriestrahl kann in einer Entfernung von nur 50 Mikrometern eine Energie von 1 Gigaelektronenvolt (GeV) erreichen, wofür normalerweise große Teilchenbeschleuniger erforderlich sind.
Derzeit ist das Konzept noch unrealisiert, aber das Team argumentiert, dass an einigen Standorten bereits Technologien zu seiner Umsetzung existieren. Dies könnte neue Einblicke in die extremen Bedingungen um Schwarze Löcher und Neutronensterne liefern und uns möglicherweise helfen, das kosmische Geheimnis der Antimaterie zu entwirren.
Die Studie wurde in der Zeitschrift Communications Physics veröffentlicht.
2021-07-27 05:17:07
Autor: Vitalii Babkin