Ein einzelnes Positron, monatelang in einer Vakuumkammer gehalten, auf Kommando zwischen Quantenzuständen springend: Das ist kein Gedankenexperiment mehr, sondern ein Aufbau am Northwestern University, beschrieben in Physical Review Letters.

Positronen sind das Antimaterie-Gegenstück der Elektronen: gleiche Masse, entgegengesetzte Ladung. Sie zu untersuchen ist deshalb so schwer, weil Elektronen überall sind. Trifft ein Positron auf eines, vernichten sich beide — und das Experiment ist vorbei. Antimaterie gilt als teuerste Substanz der Erde; Schätzungen liegen bei 62,5 bis 100 Billionen Dollar pro Gramm.

„Wenn man Antimaterie festhalten will, braucht man einen Behälter ohne Wände", sagte Gerald Gabrielse, der die Arbeit leitete, dem Scientific American. Sein Team, mit Doktorand und Erstautor Thomas Myers, hat genau das gebaut.

Der Weg hinein

Der Aufbau beginnt mit radioaktivem Natrium-22, das Positronen mit hoher Energie aussendet. Diese werden durch einen kalten Wolframkristall geschickt, wo Stöße sie abbremsen; viele annihilation dabei. Einige der Überlebenden fangen ein Elektron ein und bilden Positronium — ein locker gebundenes Paar in hohem Anregungszustand. Der Schritt wirkt kontraintuitiv, löst aber ein Ingenieursproblem: Positronium ist elektrisch neutral und kann durch eine winzige Öffnung in die Falle gelangen, ohne von den umgebenden Feldern abgelenkt zu werden.

Drinnen trennen die Felder das Elektron ab; das Positron bleibt zurück. Die Penning-Falle kombiniert ein 5,6-Tesla-Magnetfeld mit elektrischen Feldern und hält das Teilchen von jeder materiellen Oberfläche fern. Ein Kryostat kühlt die Kammer auf 0,3 Kelvin über dem absoluten Nullpunkt, rund minus 272,85 Grad Celsius; Wärmestrahlung ist damit fast eliminiert, das Vakuum minimiert Stöße.

Der Preis ist Zeit. Ein einzelnes Positron zu laden dauert derzeit acht bis elf Stunden. Danach bleibt es monatelang.

Was neu ist

Antiteilchen und ganze Antiwasserstoffatome wurden schon eingefangen — am CERN untersucht die ALPHA-Kollaboration seit Jahren Antiwasserstoff; im Mai 2026 meldete sie eine hundertfach höhere Präzision bei einer Schlüsselmessung. Das Neue in Evanston ist der Grad der Kontrolle über die Quantenzustände eines einzelnen Positrons.

Im Magnetfeld kreist das Teilchen wie ein winziges künstliches Atom; seine Bewegung kennt nur bestimmte erlaubte Energieniveaus. Die Forscher nennen es einen Ein-Positron-Quantenzyklotron. Mit präzise abgestimmten Mikrowellenimpulsen ließen sie es vom niedrigsten in den nächsten Zustand springen und klappten seinen Spin um — und sie konnten diese Änderungen nachweisen, ohne die Zustände zu zerstören, die sie messen wollten. „Es ist ein echter Kick, im Labor zu stehen und zuzusehen, wie ein Positron Quantensprünge macht", sagte Gabrielse dem New Scientist.

Worauf es hinausläuft

All der Aufwand zielt auf eine Frage: Ist das Positron dem Elektron in jeder vorhergesagten Eigenschaft exakt gleich? Entscheidend ist das magnetische Moment. 2023 hatte Gabrielses Gruppe das des Elektrons mit einer Unsicherheit von 0,13 Billionstel gemessen. Der präziseste direkte Vergleich mit dem Positron stammt von 1987 und stimmte auf 2,1 Billionstel überein.

Der Physiker Paolo Crivelli von der ETH Zürich schätzt in einem unabhängigen Begleitartikel, dass der neue Aufbau einen Vergleich ermöglichen könnte, der über 30-mal präziser ist. Die Messung selbst steht noch aus.

Es geht um das CPT-Theorem: Die Naturgesetze sollten unverändert bleiben, wenn man Teilchen gegen Antiteilchen tauscht, die Raumrichtung spiegelt und die Zeit rückwärts laufen lässt. Daraus folgt, dass die magnetischen Momente von Elektron und Positron gleich groß und entgegengesetzt sein müssen. Schon eine winzige Abweichung würde Grundfesten der Teilchenphysik berühren — und könnte mit einem älteren Rätsel zusammenhängen: Dem Urknall sollten Materie und Antimaterie fast zu gleichen Teilen entstanden sein, doch ein winziger Überschuss Materie überlebte und wurde zu Galaxien, Sternen und uns. Einen Mechanismus dafür kann bislang kein Experiment belegen.

Bislang haben Materie und Antimaterie die erwarteten Symmetrien überall eingehalten, und auch Northwestern hat keine Abweichung gefunden. „Aktuelle Theorien legen nahe, dass es keinen Unterschied geben wird", sagte Gabrielse. „Sollte sich zeigen, dass sie nicht gleich sind, wäre das die größte Entdeckung der Physik im letzten Jahrhundert."

Quellen