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15.12.2018

Antimaterie in der Falle

Dr. Eve Stenson Dr. Eve Stenson Dr. Eve Stenson demonstriert an Ersatzteilen, wie die Prototyp-Falle aufgebaut ist: In der Mitte der Permanentmagnet, der Draht links steht für eine Sonde, die in die Falle hineingeschoben werden kann. Mit ihrer Hilfe lässt sich die Menge der eingespeisten Teilchen bestimmen, die erfolgreich im Magnetfeld eingefangen wurden. © A. Griesch / IPP

Dr. Eve Stenson demonstriert an Ersatzteilen, wie die Prototyp-Falle aufgebaut ist: In der Mitte der Permanentmagnet, der Draht links steht für eine Sonde, die in die Falle hineingeschoben werden kann. Mit ihrer Hilfe lässt sich die Menge der eingespeisten Teilchen bestimmen, die erfolgreich im Magnetfeld eingefangen wurden. © A. Griesch / IPP

Erstmals ist es Wissenschaftlern der Technischen Universität München und des Max-Planck Instituts für Plasmaphysik (IPP) gelungen, verlustfrei Positronen in einen Magnetfeldkäfig einzusperren. Dies ist eine wichtige Vorarbeit für ein Materie-Antimaterie-Plasma aus Elektronen und ihren Antiteilchen, den Positronen, wie sie in der Nähe von Neutronensternen und schwarzen Löchern vermutet werden.

Ziel der APEX-Gruppe (A Positron-Electron Experiment) im IPP ist es, erstmals ein Materie-Antimaterie-Plasma aus Elektronen und ihren Antiteilchen, den Positronen, herzustellen und in einem magnetischen Käfig einzuschließen. Dazu muss es zunächst einmal gelingen, die geladenen Teilchen in die Magnetfeldfalle hineinzubringen. Dies wurde jetzt mit einer nahezu verlustfreien Methode erreicht, wie die ehemalige IPP- und nun TUM-Wissenschaftlerin am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum Dr. Eve Stenson und Dr. Christoph Hugenschmidt (MLZ, TUM) in der Fachzeitschrift Physical Review Letters berichten. Die Positronen konnten in der magnetischen Falle für mehr als eine Sekunde eingeschlossen werden, was Dr. Juliane Horn-Stanja (IPP) mit demselben Team in einem weiteren Beitrag beschreibt.

Bis zu diesen guten Ergebnissen war einige Forschungsarbeit nötig: Denn der gleiche Mechanismus, der geladene Teilchen im magnetischen Käfig festhält, verhindert, dass sie von außen in den Käfig eindringen können. Stattdessen werden die Teilchen von der Falle weggelenkt. Das Einbringen in die Falle muss zudem möglichst verlustfrei geschehen, weil Positronen – anders als Elektronen – nicht in beliebigen Mengen zur Verfügung stehen, sondern erst aufwändig produziert werden müssen. Dies ist Aufgabe von NEPOMUC, der weltweit stärksten Positronenquelle, die in Garching an der Forschungs-Neutronenquelle FRM II der Technischen Universität München zu finden ist.

Um die schwierige Aufgabe zu lösen, wurden umfangreiche Simulationsrechnungen angestellt und anschließend experimentell überprüft: Ein maßgeschneidertes elektrisches Feld am Rand der magnetischen Falle sorgt dafür, dass die geladenen Teilchen über die magnetischen Feldlinien hinweg in die Falle driften. Danach wird das elektrische Feld abgeschaltet und die Teilchen sind im Magnetfeld gefangen. Ein umgekehrtes Beispiel für diesen Effekt gibt es in der Fusionsforschung: Elektrische Felder, die sich von alleine im Plasma bilden können, verursachen eine unerwünschte Drift der Teilchen aus dem einschließenden Käfig heraus – ein Teilchenverlust, den die Fusionsforscher mit verschiedenen Gegenmaßnahmen unterbinden.

Für die jetzigen Untersuchungen wurde eine Prototyp-Falle mit einem einfachen Permanentmagnet benutzt und an NEPOMUC angebaut. Zur Erzeugung eines Elektron-Positron-Plasmas arbeitet die APEX-Gruppe jedoch an einem supraleitenden Dipol, der berührungsfrei im Zentrum einer Vakuumkammer schwebt und das einschließende Magnetfeld erzeugt. Die angestrebten Materie-Antimaterie-Plasmen aus Elektronen und Positronen lassen außergewöhnliche Eigenschaften vermuten. Da man annimmt, dass sie in der Nähe von Neutronensternen und Schwarzen Löchern vorkommen, ist es sowohl für die Grundlagenforschung als auch astrophysikalisch interessant, diese seltsamen Plasmen zu untersuchen.

Text: IPP

Originalpublikationen:

Lossless Positron Injection into a Magnetic Dipole Trap.
E. V. Stenson, S. Nißl, U. Hergenhahn, J. Horn-Stanja, M. Singer, H. Saitoh, T. Sunn Pedersen, J. R. Danielson, M. R. Stoneking, M. Dickmann, C. Hugenschmidt
In: Phys. Rev. Lett. 121, 235005 – Published 5 December 2018
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.235005

Confinement of Positrons Exceeding 1 s in a Supported Magnetic Dipole Trap.
J. Horn-Stanja, S. Nißl, U. Hergenhahn, T. Sunn Pedersen, H. Saitoh, E. V. Stenson, M. Dickmann, C. Hugenschmidt, M. Singer, M. R. Stoneking, and J. R. Danielson
In: Phys. Rev. Lett. 121, 235003 – Published 5 December 2018
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.235003

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