Die Wechselwirkungen zwischen Antimaterie und Materie genauer erforschen
Positronium ist ein kaum bekanntes Atom mit einem großen Potenzial. Es verfügt über keinen Kern und entsteht aus der Bindung zwischen einem negativ geladenen Elektron und einem positiv geladenen Positron – dem Antiteilchen eines Elektrons. Somit ist Positronium das einfachste Antiatom: ein Atom, das Antimaterie enthält. Positronium-Atome sind instabil, wodurch es Forschenden gelangt, es zu entdecken. „Positronium ist instabil, d. h. es lebt nur eine begrenzte Zeit, bevor Elektron und Positron sich gegenseitig vernichten und Masse in reine Energie in Form von Licht umwandeln“, kommentiert Dermot Green, Dozent für angewandte Mathematik und theoretische Physik an der Queen’s University Belfast. „Dieses Annihilationssignal – nachweisbare Lichtblitze – war der Beweis für die Existenz von Positronium.“ Ein tieferes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Positronium und anderer Materie könnte Fortschritte in Bereichen von der Astrophysik bis zur Medizin bewirken. „In der Medizin sind Positronen beispielsweise das Herzstück der Bildgebung mittels Positronen-Emissions-Tomographie (PET)“, sagt Green, Projektkoordinator von ANTI-ATOM. Im Rahmen des Projekts ANTI-ATOM, das vom Europäischen Forschungsrat finanziert wurde, nutzten Green und sein Forschungsteam eine Mischung aus Theorie und Berechnungen, um Theorien zur Beschreibung dieser komplexen Wechselwirkungen zu erarbeiten. „Unsere Arbeit liefert fundamentale Erkenntnisse über die Wechselwirkung von Positronen mit Atomen und Molekülen und bietet ganz allgemein Informationen und Maßstäbe für andere theoretische und rechnerische Ansätze zum Quanten-Vielteilchen-Problem“, fügt Green hinzu.
Die Bindung von Positronen an Moleküle betrachten
„Wir konzentrieren uns auf die Berechnung der Bindung von Positronen an Moleküle“, sagt Green. „Wenn ein Positron an ein Molekül bindet, gibt es seine Energie an das Molekül ab, was es in Schwingung versetzen kann“, erklärt er. Das Positron kann erst entkommen, wenn es diese Energie zurückerlangt. Dabei hängt es mit vielen Elektronen im Molekül herum, wodurch es unweigerlich zu einer Annihilation kommt. „Bei bahnbrechenden Experimenten in Kalifornien, angeführt von dem herausragenden Clifford Surko, wurden eine Positronenfalle und ein auf die Energie abstimmbarer Strahl gestaltet und genutzt, um diese erhöhte Annihilationsrate zu messen“, bemerkt Green.
Eine Theorie der Wechselwirkungen entwickeln
Die Beschreibung der Wechselwirkungen von Positronen mit Atomen und Molekülen ist wegen der starken Quanten-Vielteilchen-Wechselwirkungen, die diese Systeme kennzeichnen, ein sehr schwieriges Problem. Das Team wandte daher anspruchsvolle theoretische Methoden an, die ihren Ursprung in der Quantenfeldtheorie haben, aber an endliche Systeme mit niedriger Energie angepasst sind. Diese Methoden wurden in hochmoderne Computercodes umgesetzt, wobei die Berechnungen auf Hochleistungsrechen-Clustern liefen. „Bei den Berechnungen haben wir sehr von der Zusammenarbeit mit Charles Patterson am Trinity College Dublin profitiert“, bemerkt Green. „Wir haben seinen EXCITON-Code, der bereits in der Lage ist, Vielteilchenberechnungen von Elektron-Materie-Systemen durchzuführen, so angepasst, dass er auch Positronen einbezieht.“
Eine bahnbrechende Beschreibung von Positronen
Das wichtigste Projektergebnis war die erste Ab-Initio-Beschreibung der Positronenbindung an Moleküle in Übereinstimmung mit Experimenten die jahrzehntelang unklar geblieben war. „Unsere Ergebnisse stimmen hervorragend mit den Experimenten überein und stellen grundlegende Erkenntnisse darüber zur Verfügung, wie die Positronenbindung verbessert werden kann“, so Green. Die Forschenden planen nun, ihre theoretischen und rechnerischen Ansätze zu erweitern und sie als solide Grundlage für die Untersuchung neuer Probleme zu nutzen, einschließlich größerer Moleküle, Cluster, Flüssigkeiten und anderer grundlegender Prozesse, einschließlich der Streuung von Elektronen und Positronen an Atomen und Molekülen. „Ich habe einen ERC Consolidator Grant erhalten, der uns helfen wird, genau das zu tun“, fügt Green hinzu.
Schlüsselbegriffe
ANTI-ATOM, Positronium, Quanten, Vielteilchenproblem, Molekül, Bindung, Theorie, Wechselwirkungen, Beschreibung
