Physiker der Northwestern University in den USA haben ein einzelnes Positron — das Antiteilchen des Elektrons — monatelang in einer Quantenfalle gefangen gehalten und dabei jeden Energiesprung des Teilchens und jede Umkehrung seines Spins beobachtet. Das Ergebnis, am 21. Oktober 2026 in Physical Review Letters veröffentlicht, schafft das erste „Ein-Positron-Quantenzyklotron“ und ebnet den Weg zum präzisesten bisher versuchten Test einer fundamentalen Symmetrie der Physik.
Ein Behälter ohne Wände
Das Positron hat dieselbe Masse wie das Elektron und die entgegengesetzte elektrische Ladung, verschwindet aber bei Berührung mit gewöhnlicher Materie: Teilchen und Antiteilchen vernichten sich gegenseitig. Deshalb musste das Team um Gerald Gabrielse, mit dem Doktoranden Thomas Myers als Erstautor, die Antimaterie in einem Behälter ohne Wände halten: einer Penning-Falle, die elektrische und magnetische Felder nutzt, um das Teilchen im Vakuum zu halten, ohne dass es eine Oberfläche berührt.
Um dorthin zu gelangen, gingen die Forscher von Positronen aus, die beim radioaktiven Zerfall von Natrium-22 emittiert werden, mit Energien bis zu 546 Kiloelektronenvolt — Geschwindigkeiten nahe 88 % der Lichtgeschwindigkeit. Die Teilchen wurden in einem Wolframkristall abgebremst; die langsamsten Überlebenden bildeten kurzzeitig Positronium, ein neutrales Atom aus Positron und Elektron, das durch eine 625-Mikrometer-Öffnung drang und in der Falle auseinandergerissen wurde, sodass nur das Positron gefangen blieb. Ein einzelnes Teilchen auf diese Weise zu laden, dauert 8 bis 11 Stunden.
Fast absoluter Nullpunkt und einzelne Quantensprünge
Abgekühlt auf etwa 300 Millikelvin — 0,3 Grad über dem absoluten Nullpunkt — brachte die Apparatur die kreisförmige Bewegung des Positrons, die Zyklotronbewegung, in ihren niedrigsten Quantenzustand. In diesem Regime gelang es dem Team, mit abgestimmten Mikrowellenpulsen einen nach dem anderen die Sprünge zwischen den Zyklotron-Energieniveaus und die Umkehrungen des Spins des Teilchens auszulösen und zu erfassen, ohne die gemessenen Zustände zu stören.
Was noch nicht gemessen wurde
Das Endziel ist nicht nur, Antimaterie festzuhalten, sondern das magnetische Moment des Positrons — Stärke und Richtung seines Magnetismus — mit einer Präzision zu messen, die mit der des Elektrons vergleichbar ist, das heute mit einer Genauigkeit von etwa 1 Teil in 10 Billionen gemessen wird. Laut der von APS Physics veröffentlichten Analyse könnte die neue Apparatur die Präzision der Positronenmessung um etwa das 30-Fache verbessern. Diese Messung wurde jedoch noch nicht durchgeführt: Der Artikel demonstriert die Falle und die Quantenkontrolle des Teilchens, nicht das Ergebnis des Vergleichs.
Wenn die magnetischen Momente von Elektron und Positron voneinander abweichen, wäre das ein Hinweis auf Physik jenseits des Standardmodells; stimmen sie überein, wird der Test der CPT-Symmetrie — der Idee, dass sich die Gesetze der Physik nicht ändern, wenn man Teilchen gegen Antiteilchen austauscht, das Universum spiegelt und die Zeit umkehrt — noch strenger. Das Experiment hilft auch zu klären, warum das beobachtbare Universum von Materie dominiert wird und nicht von Antimaterie, obwohl der Urknall im Prinzip beide in gleichen Mengen erzeugt haben müsste.
Bildnachweis: Abbildung aus dem Artikel von Myers und Kollegen, veröffentlicht in Physical Review Letters (2026), wiedergegeben von Phys.org.
Quellen: Phys.org — “One-positron cyclotron” could test a key prediction of the Standard Model; APS Physics — A Quantum Cyclotron for Antimatter; Scientific American — Physicists trap a single antimatter particle for a month; Physical Review Letters — One-positron quantum cyclotron (DOI: 10.1103/gbkc-6nlj); arXiv:2605.08147
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