Antimaterie: Hybride Atome in superflüssigem Helium

astronews.com Redaktion

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Ein Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern am CERN hat bei hybriden Atomen aus Antimaterie und Materie ein überraschendes Verhalten entdeckt, wenn diese in supraflüssiges Helium eingetaucht werden. Das Ergebnis könnte einen neuen Weg eröffnen, um mit Antimaterie die Eigenschaften von kondensierter Materie zu untersuchen - oder um Antimaterie in kosmischer Strahlung aufzuspüren. (7. April 2022)

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ralfkannenberg

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bei hybriden Atomen aus Antimaterie und Materie
Dabei fingen Atome des Heliums einen kleinen Teil der Antiprotonen ein. Jedes eingefangene Antiproton ersetzte eines der beiden Elektronen, die normalerweise einen Helium-Atomkern umgeben – und formten so ein Gebilde, das lange genug stabil blieb, um es spektroskopisch zu untersuchen.
Hallo zusammen,

ich bin echt fassungslos - was haben die denn da für ein "Monster" zusammengebaut: zwei Protonen, zwei Neutronen, ein Elektron und ein Antiproton, welches das zweite Elektron "ersetzt" hat.

Erstaunlich, dass das Antiproton nicht in den Kern abstürzt und Tritium zurücklässt. - Unglaublich, was da heutzutage alles möglich ist !


Freundliche Grüsse, Ralf
 

Marc

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Das Antiproton befindet sich in einer elektromagnetischen Bindung. Genau wie Elektronen dürfte Dieses ebenfalls wohl nicht einfach so in den Kern stürzen. Das Heliumatom ist durch die Kernbindung gebunden, die starke Bindungsenergie des Heliumkerns ist zwar hoch aber die Vernichtungsenergie von Proton und Antiproton liegt weit über 3600 Elektronenmassen. Die freigesetzte Energie würde wohl den gesamten Heliumkern zerreissen. Zudem ist der Heliumkern ein gesättigter Atomkern, der kann nicht einfach so zusätzliche Kerne einfangen. Das dürfte bei einem frei umherfliegenden Antiproton wohl anders sein. MfG
 

ralfkannenberg

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Das Antiproton befindet sich in einer elektromagnetischen Bindung. Genau wie Elektronen dürfte Dieses ebenfalls wohl nicht einfach so in den Kern stürzen. Das Heliumatom ist durch die Kernbindung gebunden, die starke Bindungsenergie des Heliumkerns ist zwar hoch
Hallo Marc,

herzlichen Dank - ich habe primär vergessen, dass die starke Wechselwirkung gar nicht so weit reicht.


aber die Vernichtungsenergie von Proton und Antiproton liegt weit über 3600 Elektronenmassen. Die freigesetzte Energie würde wohl den gesamten Heliumkern zerreissen.
Das war nur ein (vermutlich wenig gelungener) Scherz.


Zudem ist der Heliumkern ein gesättigter Atomkern, der kann nicht einfach so zusätzliche Kerne einfangen.
Daran wiederum habe ich nicht gedacht, mein Fehler Nr.2 .


Das dürfte bei einem frei umherfliegenden Antiproton wohl anders sein.
Meinst Du mit "frei herumfliegend" das Antiproton in der Hülle des Heliums oder eines, welches in der Versuchsanordnung erzeugt wurde und nun natürlich ohne weitere atomare Bindung herumfliegt ?


Schliesslich noch eine Frage: kann es sein, dass in einem ganz kleinen Teil der Fälle beide Elektronen des Heliums durch Antiprotonen ersetzt werden ?


Freundliche Grüsse, Ralf
 

SFF-TWRiker

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Ich habe auch eine laienhafte Frage:

Ist man bei diesem Forschungsprojekt auf dem Weg herauszufinden, warum es beim Anfang des Universums ein kleines Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie gab?

Ups! Ich höre schon Köpfe auf die Tischkanten knallen ... Hoffentlich findet keine Annihilation statt ...
 

Marc

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Ob der Heliumkern zerlegt wird durch ein Antiproton wenn es im Kern ein Proton trifft ist nur eine Vermutung meinerseits, wegen der freigesetzten Energie.

Das Antiproton ist 1836 mal schwerer als das Elektron, daher sollte auch die Bahn deutlich näher am Kern liegen, vermute ich mal.

Deswegen ist es wohl auch geschützt, solange es in dieser elektromagnetischen Bindung ist, es kann dann nicht einfach mit anderen Teilchen wechselwirken und zerstrahlen.

Ich denke mal, es ist daher eher unwahrscheinlich, dass ein stabiler Kern entsteht mit 2 Antiprotonen in dem suprafluiden Helium. Die Antiprotonen wären nicht geschützt und würden sofort vernichtet. MfG
 

Bernhard

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Ist man bei diesem Forschungsprojekt auf dem Weg herauszufinden, warum es beim Anfang des Universums ein kleines Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie gab?
Wie im Artikel zu lesen, geht es bei dem Experiment eher um grundlegenden Eigenschaften des Antiprotons, wie dessen Masse, aber man weiß vorher ja nie genau, welche Konsequenzen sich exakt zeigen. Ich kann weitergehende Folgeantworten deshalb nicht ausschließen.

Ich bin ebenfalls erstaunt, dass so ein hybrides Atom so stabil ist, um daran Messungen zu machen. Im Originalpaper habe ich auf die Schnelle keine Halbwertszeit für diese Atome gefunden. Wäre interessant zu wissen.
 

Herr Senf

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für die Neugier, 1991 herausgefunden: "Zerfallszeitkonstante" von 3 μsec nach Google-Übersetzung
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1991PhRvL..67.1246I/abstract

Entdeckung des Antiprotonenfangs durch langlebige metastabile Zustände in flüssigem Helium
Eine verzögerte Vernichtung von Antiprotonen, die in flüssigem Helium gestoppt wurden, wurde beobachtet, was zeigt, dass etwa 3,6% der gestoppten Antiprotonen
in langlebigen metastabilen Zuständen gefangen sind. Es wurde weder in flüssigem Stickstoff noch in flüssigem Argon eine verzögerte Komponente gefunden.
Die beobachtete Zeitverteilung der verzögerten Vernichtung zeigt schnell zerfallende Komponenten, gefolgt von einem Hauptteil mit einer Zerfallszeitkonstante von 3 μsec.
Grüße Dip

PS: viel interessanter erscheint mir aber ein altes/neues Problem, daß experimentell das W-Boson nicht in das theoretische Standardmodell paßt
https://www.scinexx.de/news/physik/w-boson-widerspricht-dem-standardmodell/

Das Trägerteilchen der schwachen Kernkraft ist demnach signifikant schwerer als es der Theorie nach sein dürfte, ... Diese Abweichung könnte darauf hindeuten,
dass das Standardmodell unvollständig ist und dass es Kräfte oder Teilchen jenseits der bekannten Physik gibt.
Theorie 80,357 MeV zu Experiment 80,4335 MeV, Differenz 0,765 MeV, Signifikanz 7 Sigma
 
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SFF-TWRiker

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Wie im Artikel zu lesen, geht es bei dem Experiment eher um grundlegenden Eigenschaften des Antiprotons, wie dessen Masse, aber man weiß vorher ja nie genau, welche Konsequenzen sich exakt zeigen. Ich kann weitergehende Folgeantworten deshalb nicht ausschließen.

Ich bin ebenfalls erstaunt, dass so ein hybrides Atom so stabil ist, um daran Messungen zu machen. Im Originalpaper habe ich auf die Schnelle keine Halbwertszeit für diese Atome gefunden. Wäre interessant zu wissen.

Vielen Dank für die gutmütige Antwort.
Eventuell wäre eine Karriere im diplomatischen Dienst möglich.
 

ralfkannenberg

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Vielen Dank für die gutmütige Antwort.
Eventuell wäre eine Karriere im diplomatischen Dienst möglich.
Hallo SFF-TWRiker,

ich sehe Bernhard eher an der Schnittstelle zwischen Wissenschaft und Wissenschafts-Journalismus, dann würde in den verständlichen Darstellungen weniger Unsinn stehen.


Freundliche Grüsse, Ralf
 

Herr Senf

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Vereinfacht kann man sich das so vorstellen, daß Heliumatome Speicher-Fallen für Antiprotonen sind. Deswegen wären Satelliten mit He-Kühlung als Detektoren geeignet.

Detektoren mit superfluidem Helium ... wären geeignet, Antiteilchen aus dem All einzufangen und zu analysieren", ... Das würde womöglich zur Lösung ... beitragen...
nach dem Wesen der Dunklen Materie ... . In einigen Theorien wird angenommen, dass bei der Wechselwirkung Dunkler Materie im Halo unserer Galaxie Antiteilchen entstehen, ...
Bei Wasserstoff und Helium ist nur die erste Elektronenschale besetzt, Helium hat von allen Elementen den kleinsten Atomradius und die höchste Ionisierungsenergie.
Wenn ein Elektron durch ein Antiproton "ersetzt" wird, liegt der Antiprotonen-Radius innerhalb des Elektronen-Radius, der dann wie eine Schutzhülle funktioniert.
Es ist sowas wie eine kleine Penning-Falle https://de.wikipedia.org/wiki/Penning-Falle, in der man sonst Antimaterie speichern kann/muß.

Grüße Dip
 

Bernhard

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Einen guten Überblick über diese exotischen Atome gibt es auch hier: https://en.wikipedia.org/wiki/Antiprotonic_helium#Production

Diese exotischen Atome können einfach durch die Vermischung von Antiprotonen mit Heliumgas erzeugt werden. Das Antiproton verdrängt dabei in einer chemischen Reaktion spontan eines der beiden Elektronen, die in jedem Heliumatom vorhanden sind und umkreist dann den Heliumkern anstelle des verdrängten Elektrons.

Dieser Vorgang findet für ca. 3% aller Antiprotonen statt, die in das Heliumgas eingebracht werden. Die Bahn des Antiprotons hat eine hohe Hauptquantenzahl und eine hohe Drehimpulsquantenzahl bei etwa 38 und umkreist damit die Oberfläche des Kerns in ausreichend großem Abstand. Das Antiproton kann den Kern deshalb in der Größenordnung von einigen 10 Microsekunden umkreisen, bevor es in den Kern stürzt und dort zerstrahlt.

Für die Angabe "einige 10 Microsekunden" wird allerdings keine Referenz angegeben, womit wir dann vorerst wieder eher bei den 3 mus aus Dips Referenz (Danke) wären.
 
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SFF-TWRiker

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Ich denke, es gibt Experten, die bei meiner Frage die Augenbrauen bis zum Hinterkopf hochgezogen hätten:

Wie erkläre ich einem Grundschüler jetzt Vektorrechnung?

Off-Topic Ende. Danke!
 

Herr Senf

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Für die Grundschüler wäre das Bohrsche Atommodell hilfreich, um sich ein hybrides Heliumatom vorzustellen ;)

der He-Kern hat einen Durchmesser von 1 fm Femtometer 10^-15 m
das He-Atom nehmen wir mit Durchmesser 100.000 fm, dazwischen ist "Luft", wo das Antiproton reinpassen würde
den Radius der Elektronen-Orbits mit der Hauptquantenzahl n=1 setzen wir hier im Beispiel vereinfacht auf 50.000 fm
(der kleinste Bohr-Radius nach Theorie 53.000 fm, der Van-der-Waals-Radius von He beträgt 140.000 fm als Vergleich)

die möglichen Orbit-Radien berechnen sich aus R_n = const * n²/m , die Masse des Antiprotons ist 1.836 m_e
die Hauptquantenzahl wurde mit n=38 angegeben, also weit draußen, daraus wird R_n = 38²/1.836 = 0,79

der Antiprotonen-Orbit liegt also bei 40.000 fm nahe am Elektronen-Orbit, aber innerhalb, sonst funktioniert die Falle nicht

der niedrigst mögliche Orbit wäre für n=1 R_1 = 27 fm, bevor es zur Annihilation kommt

Grüße Dip

PS: der letzte mögliche Antiprotonen-Orbit wäre übrigens bei n=42, darüber sind wir über der Elektronenschale - was sagt uns diese Zahl :confused:
warum "trudelt" das Antiproton von n=42 über metastabil n=38 bis n=1 in den Kern, gibt es dafür eine noch unerkannte Kraft?
womit sich der Kreis zur Eingangsfrage von SFT-TWRiker schließt, was macht die Antimaterie kaputt?
 
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ralfkannenberg

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warum "trudelt" das Antiproton von n=42 über metastabil n=38 bis n=1 in den Kern, gibt es dafür eine noch unerkannte Kraft?
Hallo Herr Senf,

ich habe nicht verstanden, warum das Antiproton in den Kern trudelt. Ich habe nur etwas von Übergängen (37, 35) -> (38, 34) und (39, 35) -> (38, 34) gesehen.


Freundliche Grüsse, Ralf
 

Herr Senf

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Hallo Ralf "warum das Antiproton in den Kern trudelt",

na, irgendwo muß es doch hin :) die Übergänge hat man spektroskopisch ausgewertet, aber wie weiter?
Ich denke, es kann nur nach unten, wer sollte ihm beim Raufkommen helfen, um nach draußen zu verschwinden.

Also gemittelt nach 3 μsec gibt es auf, aber wie und wo mit was erfolgt die Annihilation? ... man erwischt den Blitz, und ...
Die Elektronen bleiben stabil in ihren Schalen zB bei n=1, das Antiproton ist 1.836 mal schwerer, also Schwerkraft :(
"plus" und "minus" ziehen sich sowieso an, aber die Elektronen fallen wegen der "Leichtkraft" nicht runter /Spaß aus/

Grüße Dip

PS: Spaß nochmal an: vielleicht haben wir gerade den Äther um die Atomkerne innerhalb des Bohr-Radius entdeckt
Satelliten stürzen aus dem LEO wegen der Atmosphäre ja auch irgendwann mal ab :confused: ... fünfte Kraft
 
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ralfkannenberg

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Hallo Ralf "warum das Antiproton in den Kern trudelt",
Hallo Herr Senf,

bleiben wir doch mal "dran".


na, irgendwo muß es doch hin :) die Übergänge hat man spektroskopisch ausgewertet, aber wie weiter?
Ich denke, es kann nur nach unten, wer sollte ihm beim Raufkommen helfen, um nach draußen zu verschwinden.
Ich hätte eher gemeint es bleibt, wo es ist.



Also gemittelt nach 3 μsec gibt es auf, aber wie und wo mit was erfolgt die Annihilation? ... man erwischt den Blitz, und ...
Die Elektronen bleiben stabil in ihren Schalen zB bei n=1, das Antiproton ist 1.836 mal schwerer, also Schwerkraft :(
Die Schwerkraft ist aber weniger stark als die elektromagnetische Kraft, welche wiederrum schwächer ist als die starke Kernkraft, deren Reichweite aber sehr begrenzt ist.

Wie auch immer: aufgrund der höheren Masse befindet sich das Anti-Proton auf einer tieferen Umlaufbahn als das noch verbliebene Elektron, aber aufgrund der stärkeren elektromagnetischen Kraft verbleibt es dort stabil, bis irgendeine andere Kraft diese schöne Harmonie stört.


Wenn ich also während des Homeoffice mit der schönen Nachbarstochter im Bett bin und es mit ihr sehr harmonisch habe und die Ehefrau kommt früher als erwartet vom Einkaufen zurück, dann haben wir so eine Kraft, welche die vorherige Harmonie stört. - Ok, rein pragmatisch ist da innerhalb besagter gemittelten 3 μsec natürlich noch nicht viel "Harmonisches" passiert, aber einfach so als Veranschaulichung.


"plus" und "minus" ziehen sich sowieso an, aber die Elektronen fallen wegen der "Leichtkraft" nicht runter
Ja, aber die Anti-Protonen wegen der viel stärkeren elektromagetischen Kraft im Vergleich zur Schwerkraft - wir sprechen hier von einer 1 mit 39 Nullen (bzw. einer 10 mit 38 zusätzlichen Nullen) - auch nicht.


Freundliche Grüsse, Ralf
 
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ralfkannenberg

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Wenn ein Elektron durch ein Antiproton "ersetzt" wird, liegt der Antiprotonen-Radius innerhalb des Elektronen-Radius, der dann wie eine Schutzhülle funktioniert.
Hallo zusammen,

hier noch eine vielleicht total blöde Frage: an sich gilt ja bei den Elektronen die Pauli'sche Ausschlussregel. Wenn nun aber ein Elektron durch ein Anti-Proton ersetzt wird, wird genau genommen ja ein Platz für ein zweites Elektron wieder frei, da das verdrängte Elektron und das Anti-Proton nicht dieselben Quantenzahlen haben dürften, oder sehe ich das falsch ?

Dann also würde also "bald" ein anderes Elektron den Platz des verdrängten Elektrons wieder einnehmen und das System instabil.


Könnte das so sein oder ist das komplett falsch ?


Freundliche Grüsse, Ralf
 

Bernhard

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Ich denke, es kann nur nach unten, wer sollte ihm beim Raufkommen helfen, um nach draußen zu verschwinden.

....

PS: Spaß nochmal an: vielleicht haben wir gerade den Äther um die Atomkerne innerhalb des Bohr-Radius entdeckt
Satelliten stürzen aus dem LEO wegen der Atmosphäre ja auch irgendwann mal ab :confused: ... fünfte Kraft
Mit dem bohrschen Modell kommt man da nicht weiter. Man erinnert sich besser an die Elektronenorbitale. Bei denen gibt es auch immer eine gewisse Wahrscheinlichkeit dafür, dass sich das Elektron direkt bei r=0, also im Kern aufhält. Bei Drehimpuls 0 ist diese Wahrscheinlichkeit bei r=0 sogar am größten.

Im Unterschied zu den Antiprotonen reagieren die Elektronen üblicherweise aber nicht mit dem Kern, abgesehen vom radioaktiven Elektroneneinfang. Bei den Antiprotonen gibt es nun bei jedem Kontakt mit dem Kern eine gewisse Wahrscheinlichkeit für die Annihilation.
 
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