Positronen in der Falle

Forschung

28.2.2019

Erstmals ist es Wissenschaftlern der Technischen Universität München (TUM) und des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik (IPP) gelungen, verlustfrei Positronen in einen Magnetfeldkäfig zu bringen. Dies ist eine wichtige Vorarbeit für die Herstellung eines Materie-Antimaterie-Plasmas aus Elektronen und ihren Antiteilchen, den Positronen, wie es in der Nähe von Neutronensternen und schwarzen Löchern vermutet wird. Im Interview stellt Dr. Eve Stenson ihre Forschungsarbeit vor.

Dr. Eve Stenson demonstriert an Ersatzteilen, wie die Positronen-Falle aufgebaut ist. (Bild: Axel Griesch / IPP)

Warum wollen Sie Positronen in eine Falle locken?

Positronen einfangen zu können, ist eine Voraussetzung dafür sogenannte Elektronen-Positronen-Paar-Plasmas studieren zu können. Solche Plasmen sind von großem Interesse sowohl zur Untersuchung fundamentaler Fragen der Plasmaphysik als auch für die Astrophysik.

Was ist so schwer daran, die Positronen einzufangen?

Positronen sind die Antiteilchen der Elektronen, also von gleicher Natur aber positiv statt negativ geladen. Treffen sie auf ein Elektron, zerstrahlen beide augenblicklich in einem Lichtblitz. Und da es auf der Erde Elektronen überall in Hülle und Fülle gibt, ist es extrem schwer, Positronen so aufbewahren zu können, dass sie wenigstens eine Weile überleben.

Zum Glück haben wir hier in Garching an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) mit NEPOMUC (neutron induced positron source Munich) die weltweit stärkste Positronenquelle. Pro Sekunde kann sie 900 Milllionen Positronen erzeugen.

Seit 40 Jahren simulieren Plasmaphysiker dieses Elektronen-Positronen-Plasma. Sie sind der Realisierung nun einen entscheidenden Schritt näher gekommen. Wie haben Sie das angestellt?

Eigentlich ist es sehr schwer, geladene Teilchen, wie die positiven Positronen, in eine magnetische Falle zu locken. Dieselben physikalischen Regeln, die die Teilchen im Inneren dieser Falle festhalten, behindern leider auch die Teilchen, die hinein sollen.

Unsere Falle hat ein magnetisches Feld ganz ähnlich dem der Erde oder anderer Himmelskörper. Wir haben uns überlegt, dass wir kurzzeitig eine elektrische Spannung am Rande der Falle anlegen könnten, um die Positronen durch die magnetischen „Gitterstäbe“ der Falle zu leiten. Wenn wir die Spannung dann wieder ausschalten, bleiben die Positronen im Käfig gefangen. Das hat so gut funktioniert, dass wir selbst überrascht waren.

Wie lange haben Sie die Positronen gefangen halten können?

... etwas mehr als eine Sekunde. Das ist – für diese Art von Falle – bislang noch keiner Gruppe weltweit gelungen.

Welchen Nutzen haben die Ergebnisse in der Plasmaphysik oder in anderen Bereichen?

Ziel der APEX-Gruppe (A Positron-Electron Experiment) im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik ist es, erstmals ein Materie-Antimaterie-Plasma aus Elektronen und ihren Antiteilchen, den Positronen, herzustellen und in einem magnetischen Käfig einzuschließen. Genügend Positronen produzieren und speichern zu können ist dazu der erste Schritt. Der nächste Schritt ist dann, tatsächlich solche Plasmen herzustellen und zu untersuchen.

Die Astrophysik vermutet, dass solche exotischen Plasmen in der Nähe von Neutronensternen und Schwarzen Löchern vorkommen. In der irdischen Plasmaphysik werden durch die Symmetrie der Massen von Positron und Elektron grundsätzlich neue Ergebnisse zu Wellen und Turbulenzen in Plasmen erwartet. Erkenntnisse, die uns dabei helfen könnten die Kernfusion zukünftig für die Stromerzeugung zu nutzen.

Publikationen:

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: 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: doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.235003

Weitere Informationen:

Am Projekt beteiligt waren neben der Technischen Universität München und dem Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching und Greifswald auch die University of California, San Diego (USA), das Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung in Leipzig, die The University of Tokyo (Japan), die Universität Greifswald und die Lawrence University, Appleton (USA).

Das Projekt wurde unterstützt aus Mitteln des European Research Council (ERC), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), des Helmholtz Postdoc Programms, der UC San Diego Foundation, des Collaboration Research Programms des japanischen National Institute for Fusion Science (NIFS) und der Japan Society for the Promotion of Science (JSPS).