Der Vergleich von Protonen – den positiv geladenen Bausteinen des Atomkerns – mit ihren Antimateriependants, den Antiprotonen, ist eine der vielversprechendsten Möglichkeiten, um Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie zu prüfen. Fänden sich unterschiedliche Werte in ihrer Masse oder in ihrem magnetischen Moment, so gäbe dies starke Hinweise darauf, woher die im Kosmos beobachtbare Materie-Antimaterie-Asymmetrie rühren kann.
Sogenannte Ultrahochvakuum-Penning-Fallen ermöglichen solche Hochpräzisionsmessungen an eingeschlossenen Protonen und Antiprotonen. Die Forschungskollaboration BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) konstruierte und betreibt am CERN, genauer an der dortigen „Antimateriefabrik“ (AMF), eine solche Falle namens BASE-STEP. AMF ist weltweit die einzige Anlage, an der niederenergetische Antiprotonen erzeugt, gespeichert und untersucht werden können.
Prof. Dr. Stefan Ulmer, Lehrstuhlinhaber für Quantentechnologie und Fundamentale Symmetrien an der HHU, ist Gründer und Sprecher von BASE und Koautor der neuen Nature-Studie: „Wir konnten in den vergangenen Jahren bereits präzise Messungen mit einer Genauigkeit von 0,3 ppb für Protonen und 1,6 ppb für Antiprotonen zum intrinsischen magnetischen Moment beider Teilchenarten durchführen.“ Ein ppb bedeutet ein Teil pro eine Milliarde oder 1:10-9. Der Vergleich der so gewonnenen Daten von Protonen und Antiprotonen ergab aber bisher noch keinen Unterschied innerhalb der erreichbaren Messgenauigkeit.
Dr. Christian Smorra, Projektleiter von BASE-STEP und Korrespondenzautor der Studie: „Die Genauigkeit können wir bei Messungen an der AMF nicht mehr steigern. Denn der Betrieb der Anlage verursacht Magnetfeldschwankungen, die unsere Messgeräte beeinträchtigen. Bessere Bedingungen gibt es nur außerhalb des CERN. So wurde die Idee zur mobilen offenen Falle BASE-STEP geboren: Wir transportieren die Antiprotonen an einen anderen Ort mit einem Hochpräzisionslabor, um dort eine mindestens um den Faktor 100 höhere Präzision zu erzielen.“
Nachdem dem BASE-Team im Oktober 2024 (Veröffentlichung dazu im Mai 2025 in Nature) bereits der Transport von Protonen gelang, waren sie im März 2026 mit der gleichen Falle auch mit Antiprotonen erfolgreich. Insgesamt 92 dieser Teilchen wurden aus der AMF ausgekoppelt und in BASE-STEP gespeichert. Anschließend wurde die Falle auf einen Lkw verladen und eine halbe Stunde lang rund acht Kilometer über das CERN-Gelände gefahren. Anschließend gelang es auch, die Falle wieder abzuladen, ohne dass in der ganzen Zeit auch nur eines der gespeicherten Antiprotonen verloren ging.
Marcel Leonhardt, Physikdoktorand an der HHU und Erstautor der Studie: „Wir haben die Antiprotonen dann weiter beobachtet. Insgesamt konnten wir sie über einen Monat lang speichern und kontrolliert manipulieren.“ Er weist darüber hinaus auf eine weitere besondere Leistung hin: „Besonders wichtig für eine mobile Falle für die Langzeitspeicherung ist ein extrem gutes Vakuum, damit die Antiprotonen nicht mit anderen Teilchen kollidieren und so verloren gehen. Wir haben – erstmals für ein offenes Fallensystem, in das Antiprotonen ein- und auch wieder ausgeschleust werden können – ein Vakuum von besser als 2,2*10-18 mbar über die gesamte Speicherzeit erreicht. Wir sind damit sogar deutlich besser als unser eigenes Designziel von 1*10-16 mbar.“
Ein Ziel für die gespeicherten Antiprotonen ist ein Hochpräzisionslabor an der HHU, welches Ulmers Team zurzeit für die Vergleichsmessungen von Protonen und Antiprotonen aufbaut. „Mit dem Transport im März ist uns die Generalprobe gelungen. Wir konnten zeigen, dass unsere Idee funktioniert. Unser nächstes Ziel ist nun, die Falle so autonom zu machen, dass mit ihr ein zehnstündiger Transport von Genf bis nach Düsseldorf möglich werden wird“, betont Dr. Smorra.
Prof. Ulmer zum Hintergrund der Forschungen: „Unser Ziel ist es, eine der fundamentalsten Fragen der Physik zu beantworten: Warum gibt es ein mit Materie gefülltes Universum? Wenn es eine Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie gäbe, dann kann im Urknall eine kleine Menge mehr Materie als Antimaterie erzeugt worden sein, so dass netto ein Materieüberschuss übrigbliebt, während die Antimaterie komplett annihilierte.“
Mehr zum Antimaterietransport findet sich in der Titelgeschichte des HHU-Magazins 2/2026.
Die BASE-Kollaboration und BASE-STEP
Die 2012 gegründete Kollaboration BASE mit Sitz an der AMF am CERN umfasst Forschungsinstitute in Deutschland, Japan, dem Vereinigten Königreich und der Schweiz. Zu ihr gehören:
- Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig
- GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt
- Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
- CERN, Genf
- Leibniz Universität Hannover
- Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg
- Imperial College London
- Johannes Gutenberg-Universität Mainz
- RIKEN, Japan
- Universität Tokio
- ETH Zürich
Gründer und Sprecher der Kollaboration ist Prof. Dr. Stefan Ulmer, Lehrstuhlinhaber für Quantentechnologie und Fundamentale Symmetrien an der HHU. Er ist auch Chief Scientist am RIKEN in Japan.
Im Rahmen der BASE-Kollaboration fördert der ERC das Projekt STEP, in dessen Rahmen die Transportfalle für Antiprotonen entwickelt wurde. Leiter dieses Projekts ist Dr. Christian Smorra.
Weitere Informationen:
Originalpublikation
M. Leonhardt, J. Morgner, F. Abbass, K. K. Anjum, B. Arndt, R. P. Czampiel, N. Daehnhardt, S. Endoh, T. Imamura, J. I. Jäger, L. Kürschner, B. M. Latacz, P. Micke, D. Natakala, R. Rahner, D. Schweitzer, S. Stahl, F. Völksen, H. Yildiz, K. Blaum, J. A. Devlin, Y. Matsuda, C. Ospelkaus, W. Quint, A. Soter, J. Walz, Y. Yamazaki, S. Ulmer, and C. Smorra; Road Transport of Trapped Antiprotons; Nature (2026)
