Gehackte Handykamera erfasst Antimaterie mit beispielloser Präzision

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Redaktion der Website für technologische Innovationen - 28.04.2025

Optischer Antimateriesensor, bestehend aus 60 aus Mobiltelefonen ausgebauten Fotosensoren. [Bild: Andreas Heddergott/TUM]

Wie man Antimaterie filmt

Die Atome, aus denen normale Materie besteht, fallen, angezogen von der Schwerkraft. Werden die Antimaterieatome also nach oben fallen?

Vorläufige Tests deuten darauf hin, dass Antimaterie nicht wie Materie auf die Schwerkraft reagiert .

Doch um Gewissheit zu erlangen, ist es notwendig. Aus diesem Grund haben sich mehrere mit dem CERN, dem Zentrum für den Large Hadron Collider (LHC), verbundene Teams zu einer Mission zusammengeschlossen, um den freien Fall von Antiwasserstoff unter der alleinigen Einwirkung der Erdanziehungskraft und ohne sonstige Störungen zu messen. Die Idee besteht darin, dass jede Gruppe eine andere Technik verwendet und in allen Fällen eine beispiellose Präzision erreicht.

Bei einer dieser Techniken wird ein horizontaler Strahl aus Antiwasserstoff erzeugt und seine vertikale Verschiebung mithilfe eines sogenannten Moiré-Deflektometers gemessen, das kleine Abweichungen in der Bewegung aufdeckt, und mithilfe eines Detektors, der die Punkte der Vernichtung des Antiwasserstoffs aufzeichnet. Dieses Projekt heißt AEgIS, ein Akronym für „Antihydrogen Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy“.

Bislang bestand die einzige Möglichkeit darin, Fotoplatten zu verwenden, also eine vordigitale Technologie, doch herkömmliche Kameras boten keine Echtzeit-Aufnahmetechnik. „Unsere Lösung, die für Antiprotonen demonstriert wurde und direkt auf Antiwasserstoff anwendbar ist, kombiniert fotografische Plattenauflösung, Echtzeitdiagnose, Selbstkalibrierung und eine gute Partikelsammeloberfläche in einem einzigen Gerät“, sagte Professor Francesco Guatieri, Leiter des Teams.

Und die Lösung bestand nicht darin, neue Arten hochmoderner Kameras zu bauen: Die Lösung lag im Inneren der Mobiltelefone.

„Damit AEgIS funktioniert, brauchen wir einen Detektor mit unglaublich hoher räumlicher Auflösung, und die Pixel der mobilen Kamerasensoren sind kleiner als ein Mikrometer“, erklärte Guatieri. „Wir haben 60 davon in einen einzigen Fotodetektor integriert, OPHANIM (Optical Photon and Antimatter Imager), mit der derzeit größten Anzahl von Pixeln: 3,84 Gigapixel.“

Einzelne Antiprotonenstrahlen passieren einen Degrader und werden vom AEgIS erfasst (rote Pfeile). Anschließend werden die Elektrodenspannungen an der Strahllinie neu konfiguriert, um eine Extraktion in Richtung des 45°-Zweigs zu ermöglichen. Anschließend wird die Falle geöffnet und Antiprotonen werden in den Sensor implantiert (grüne Pfeile). [Bild: Michael Berghold et al. - 10.1126/sciadv.ads1176]

So hacken Sie eine Handykamera

Konkret verwendeten die Forscher optische Bildsensoren, von denen man bereits zuvor gezeigt hatte, dass sie in der Lage sind, Echtzeitbilder von Positronen mit niedriger Energie und hervorragender Auflösung aufzunehmen. Allerdings war es notwendig, sie für die neue Nutzung anzupassen.

„Wir mussten die ersten Schichten der Sensoren entfernen, die für die Steuerung der in den Telefonen eingebauten hochentwickelten Elektronik ausgelegt sind“, sagte Guatieri. „Dies erforderte hochentwickeltes elektronisches Design und Mikrotechnik.“

Die Studenten Michael Berghold und Markus Munster von der Technischen Universität München nahmen die Herausforderung an und machten sich an die Arbeit. Sie verwandeln eine Smartphone-Kamera in einen Antiprotonen-Annihilationssensor mit beispielloser Auflösung – 35-mal besser als jede bisherige Erkennungstechnologie.

„Dies ist eine revolutionäre Technologie zur Beobachtung kleiner, durch die Schwerkraft bedingter Änderungen in einem horizontal verlaufenden Antiwasserstoffstrahl. Sie könnte auch breitere Anwendung in Experimenten finden, bei denen eine hohe Positionsauflösung entscheidend ist, oder bei der Entwicklung hochauflösender Tracker“, sagte Professor Ruggero Caravita. „Diese außergewöhnliche Auflösung ermöglicht es uns auch, zwischen verschiedenen Vernichtungsfragmenten zu unterscheiden und ebnet damit den Weg für neue Forschungen zur niederenergetischen Antiteilchenvernichtung in Materialien.“

Jetzt bereitet das Team den Aufbau der neuen Kamera im Antimaterielabor des CERN vor und beginnt mit der Datenerfassung.

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