Moleküle aus Element 0

Ein Elektron und sein Antiteilchen, das Positron, können sich zu einer Art Atom zusammenfinden - zu Positronium, das viel leichter als das leichteste Element des Periodensystems ist

Forschern gelang es jetzt, aus dem Wasserstoff-Molekül vergleichbare Positronium-Verbindungen herzustellen - womöglich die Grundlage zum Bau eines Gammastrahlen-Lasers, der seine Energie optimal effizient aus der Annihilation von Materie bezieht.

Dem Positron ist in unserer Welt normalerweise kein langes Leben beschieden: Kaum ist es etwa in einem Kernzerfall von einem Beta+-Strahler auf die Welt gebracht worden, sucht es sich schon sein Antiteilchen, das Elektron, und annihiliert mit diesem in einem grandiosen letzten Akt, der zwei oder drei Photonen mit einer Energie von knapp über einem Mega-Elektronenvolt. Eigentlich hätte sich das Positron durchaus ein längeres Leben verdient - es ist an sich ein stabiles Elementarteilchen, das nur in Anwesenheit von Elektronen den Kopf verliert.

Aber nicht immer: Unter bestimmten Umständen findet es sich mit einem Elektron derart zusammen, dass eine dem Wasserstoffatom vergleichbare Struktur entsteht, das Positronium-Atom. Wie Wasserstoff besteht Positronium (Ps) aus einem positiv und einem negativ geladenen Elementarteilchen - nur ist der positive Partner viel leichter als ein Wasserstoffkern, ein Proton. Stellt man sich im Wasserstoffatom das Elektron als den Kern umkreisend vor, dann flitzen im Positronium Positron und Elektron wegen ihrer identischen Ruheenergie um einen gemeinsamen Schwerpunkt. Schon 1951 wurde das erste Positronium-Atom vom Physiker Martin Deutsch am MIT in Cambridge erzeugt.

Wegen der geringen Masse der beiden Teilchen sind sie aufgrund der Heisenbergschen Unschärferelation aber nicht so gut zu lokalisieren wie ein Proton - der Realität entspricht deshalb die Vorstellung des Positronium-Atoms als eine Art Teilchen-Antiteilchen-Suppe besser. Positronium ist nicht sehr stabil, irgendwann trifft das Positron eben doch sein Schicksal. Allerdings verlängert sich diese Zeit auf im Mittel 140 Nanosekunden, wenn beide Partner gleich gerichtete Spins besitzen und damit das so genannte Orthopositronium bilden.

Nun kann man die Wasserstoff-Äquivalenz natürlich auch weiter denken: Wasserstoffatome kommen in der Natur ja gewöhnlich in Molekülform vor, als H₂. Positronium-Atome haben prinzipiell ebenfalls die Möglichkeit, Moleküle zu bilden. Dabei gibt es jedoch ein paar Hindernisse: Einerseits die kurze Lebenszeit der beiden Partner. Zum zweiten die ständige Versuchung, es doch mit einem kurzen Annihilations-Selbstmord zu probieren. Und zum dritten braucht es zur Molekülbildung eine Möglichkeit, die überschüssige Energie abzuführen, zwei sich bewegende Positronium-Atome haben eine höhere Energie als ein Positronium-Molekül.

Diese Probleme haben nun zwei Forscher der University of California in einem cleveren Versuch gelöst, über den sie im Wissenschaftsmagazin Nature berichten. Die Forscher schossen 20 Millionen Positronium-Atome innerhalb einer Nanosekunde eng fokussiert auf eine dünne, poröse Schicht aus Siliziumdioxid (also Glas). Die Positronen diffundierten dadurch in das Material, wo sie Elektronen einfingen und so Positronium-Atome bildeten. Offensichtlich vereinigten sich diese weiter zu insgesamt rund 100.000 Positronium-Molekülen. Dass das möglich war, lag offenbar an der Höhlenstruktur im Glas, die die überschüssige Energie aufnehmen konnte.

Den Nachweis der Molekülbildung führten die Wissenschaftler nachvollziehbar, aber indirekt, indem sie die Temperaturabhängigkeit der bei der Annihilation entstehenden Gammastrahlung maßen. Moleküle können sich nur aus längerlebigem, orthogonalen Positronium bilden, das in drei statt zwei Gammaquanten annihiliert. Wenn sich nun bei niedrigeren Temperaturen wegen der geringeren Bewegungsenergie der Positronium-Atome mehr Moleküle bilden können, muss sich damit temperaturabhängig auch das Gammaspektrum verändern. Noch bei ähnlichen Experimenten vor zwei Jahren hatten die kalifornischen Forscher zwar Hinweise auf Ps₂-Moleküle gefunden, diese aber nicht zweifelsfrei nachweisen können. Mittlerweile sind sie dabei, auch eine direkte Beobachtung der Moleküle vorzubereiten.

Die Technik verspricht gleich in mehrerer Hinsicht interessante Folgerungen: Gelänge es zum Beispiel, ein Bose-Einstein-Kondensat (BEC) aus den Molekülen zu erzeugen, wäre das die Grundlage für einen Gamma-Laser, der seine Energie aus Annihilation bezieht. Man hätte damit ein in jeder Hinsicht starkes Instrument (hat hier jemand „Waffe“ gesagt?): die einzelnen Photonen sind aufgrund ihrer Herkunft sehr energiereich. Während etwa ein Photon eines roten Lasers eine Energie von rund 2 Elektronenvolt mit sich trägt, müssen die drei bei der Annihilation von Elektron und Positron entstehenden Gammaquanten gemeinsam über ein Mega-Elektronenvolt davontragen. Um ein Ps₂-BEC zu erzeugen, müsste man die Dipositronium-Dichte im Material von derzeit 10 hoch 15 pro Kubikzentimeter um drei Zehnerpotenzen steigern. Bei noch höheren Dichten, schreibt der Physiker Clifford Surko in einer begleitenden Meldung in Nature, könnte das Gas sich sogar in einen kristallinen Festkörper verwandeln, der bei Ps₂-Dichten von 10 hoch 21 pro Kubikzentimeter nach dem aktuellen Stand der Forschung zum Gammalaser werden könnte.

Zudem verspricht man sich von Positronium eine ganz neue Chemie (siehe "Materie und Antimaterie - sind sie wirklich Todfeinde?"): Dass plötzlich Positronen statt Elektronen ins Spiel kommen, umgeht das Pauli-Prinzip, nach dem Elektronen nicht in allen Quantenzahlen übereinstimmen dürfen. Das Pauli-Prinzip schränkt aber die Menge möglicher chemischer Reaktionen ein - eine Mauer, die mit Hilfe von Positronium-Verbindungen fallen könnte. Berechnet haben die Forscher bereits, dass Moleküle aus Positronium und Sauerstoff („positronisches Wasser“) und Positronium und Lithium zumindest bindungsenergetisch möglich sein müssten.