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Abb1.:
Der schematische Aufbau
des Experiments. Die Positronen fallen von links ein, durchdringen
eine Kohlenstofffolie und verwandeln sich dabei durch Aufnahme von
zwei Elektronen in Positronium-Ionen. Diese werden beschleunigt
und nachgewiesen.
Bild: Max-Planck-Institut für Kernphysik |
Alle chemischen Elemente der Natur
sind nach dem selben Prinzip aufgebaut: Im Atomkern befinden sich
Protonen und Neutronen, drum herum Hüllen aus Elektronen. Anders
exotische Atome wie das Positronium: Es besteht aus einem Elektron und
dessen Antiteilchen, dem Positron, das - bis auf die entgegengesetzte
elektrische Ladung - genau die gleichen Eigenschaften hat wie das
Elektron. Kommen sich Positron und Elektron zu nahe, dann vernichten
sie sich blitzartig. Die gesamte Ruhemasse des Positroniums wird dabei
in Gammastrahlung umgewandelt. Weil Positronium-Atome deshalb nur
wenige Bruchteile von Milliardstel Sekunden (Nanosekunde) existieren,
kommen sie in der Natur praktisch nicht vor.
Allerdings sind Positronium-Atome
physikalisch recht einfach zu beschreiben: Es handelt sich um ein
System aus zwei praktisch identischen und punktförmigen Teilchen, die
sich gegenseitig mit nur einer einzigen Kraft - der "elektroschwachen
Wechselwirkung" - anziehen. Unter normalen Umständen genügt sogar die
elektromagnetische Kraft zur Beschreibung. In "gewöhnlichen" Atomen
aus Neutronen, Protonen und Elektronen verkomplizieren dagegen die
räumliche Ausdehnung der Kerne und die zusätzliche starke
Wechselwirkung die Rechnung.
Physikalisch spannend wird die
Angelegenheit, wenn dem Positronium-Atom ein weiteres Elektron
hinzugefügt wird. In solchen negativ geladenen Atomen (Ionen)
wechselwirken dann drei Teilchen miteinander - und das ist für
Physiker eine Herausforderung, denn die Eigenschaften von
Dreikörpersystemen lassen sich nur noch näherungsweise berechnen.
Dennoch ist das Positronium-Ion aufgrund seiner Einfachheit ein
interessantes Modellsystem für die Quantenmechanik.
Allerdings fehlen bislang
experimentelle Daten, um die in der Theorie verwendeten
Näherungsverfahren zu testen. Als Auftakt eines Projekts zur
Untersuchung des Positronium-Ions haben Heidelberger
Max-Planck-Forscher daher nun die Lebensdauer der Exoten sechs Mal
genauer bestimmt, als es bislang möglich war. Das Ergebnis:
Positronium-Ionen leben im Schnitt knapp eine halbe Nanosekunde
(0,4787(34) ns). Dies steht in sehr guter Übereinstimmung mit dem
berechneten Wert.
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Abb2.: Der
Laboraufbau des Experiments. Die Positronen treten von links in
die Kammer mit den größeren Spulen ein. Die Positronenquelle
befindet sich links außerhalb des Bildausschnitts. In der Kammer
werden die Positronium-Ionen erzeugt und zur Messung ihrer
Lebensdauer auf eine variable Flugstrecke geschickt. Dahinter, in
der röhrenförmigen Spule, befindet sich ein Teilchendetektor.
Bild:
Max-Planck-Institut für Kernphysik |
Für die Messung, die insgesamt
acht Monate dauerte, schossen die Forscher Positronen durch eine
extrem dünne Kohlenstofffolie. Etwa jedes zehntausendste Positron
fängt dabei zwei Elektronen ein und bildet ein Positronium-Ion. Da
deren Lebensdauer für eine direkte Messung zu kurz ist, wird sie
indirekt bestimmt: Die Ionen werden in einem elektrischen Feld auf
eine Geschwindigkeit von einigen Prozent der Lichtgeschwindigkeit
beschleunigt und über eine sehr präzise verstellbare Flugstrecke
geschickt (s. Abbildung 1, 2). Zählt man mit einem geeigneten
Nachweisverfahren die am anderen Ende ankommenden Positronium-Ionen
für verschiedene Entfernungen, dann lässt sich dadurch die Lebensdauer
ermitteln. Bei den genannten Geschwindigkeiten liegt die Reichweite
der Ionen gerade im Bereich von einigen Millimetern, eine gut
zugängliche und leicht zu handhabende Größenskala.
Für die Zukunft sind weitere
Experimente geplant: Mit der Inbetriebnahme der Positronenquelle
NEPOMUC an der Forschungsneutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II)
in Garching bei München steht seit kurzem ein hoch intensiver
Positronenstrahl zur Verfügung. Neben einer weiteren Erhöhung der
Präzision der Lebensdauermessung rücken damit erstmals auch andere
Eigenschaften dieses ungewöhnlichen Ions in Reichweite experimenteller
Untersuchungen. |
