Protonium

* Onia
* Wasserstoffähnliche

Protonium (Symbol: Pn), auch bekannt als antiprotonischer Wasserstoff, ist eine Art von exotischem Atom, in dem ein Proton und ein Antiproton einander umkreisen. Da Protonium ein gebundenes System aus einem Teilchen und dem entsprechenden Antiteilchen ist, gehört es zu den exotischen Atomen, die Onium genannt werden.

Protonium hat eine mittlere Lebensdauer von etwa 1,0 μs und eine Bindungsenergie von -0,75 keV.

Wie alle Onia ist Protonium ein Boson mit allen Quantenzahlen (Baryonenzahl, Flavour-Quantenzahlen usw.) und der elektrischen Ladung gleich 0.

### Produktion

Es gibt zwei bekannte Methoden zur Erzeugung von Protonium. Eine Methode beinhaltet heftige Teilchenkollisionen. Bei der anderen Methode werden Antiprotonen und Protonen in denselben magnetischen Käfig gesteckt. Die letztgenannte Methode wurde erstmals 2002 im Rahmen des Experiments ATHENA (ApparaTus for High precision Experiment on Neutral Antimatter) im CERN-Labor in Genf angewandt, aber erst 2006 stellten die Wissenschaftler fest, dass bei diesem Experiment auch Protonium erzeugt wurde.

Reaktionen, an denen ein Proton und ein Antiproton bei hohen Energien beteiligt sind, führen zu Endzuständen, die aus vielen Teilchen bestehen. Solche Reaktionen sind die Grundlage für Teilchenbeschleuniger wie das Tevatron am Fermilab. Bei der indirekten Suche nach Protonium im LEAR (Low Energy Antiproton Ring am CERN) wurden Antiprotonen verwendet, die auf Kerne wie Helium aufprallen, wobei die Ergebnisse unklar waren. Kollisionen mit sehr niedriger Energie im Bereich von 10 eV bis 1 keV können zur Bildung von Protonium führen.

StudienIn den geplanten Experimenten werden Fallen als Quelle für niederenergetische Antiprotonen verwendet. Ein solcher Strahl würde auf atomare Wasserstofftargets im Feld eines Lasers auftreffen, der die gebundenen Proton-Antiprotonen-Paare mit einer gewissen Effizienz (deren Berechnung ein offenes theoretisches Problem ist) in einen angeregten Zustand von Protonium anregen soll. Ungebundene Teilchen werden abgestoßen, indem sie in einem Magnetfeld gebogen werden. Da das Protonium ungeladen ist, wird es durch ein solches Feld nicht abgelenkt. Dieses unabgelenkte Protonium würde, wenn es sich bildet, einen Meter Hochvakuum durchqueren können, in dem es durch Annihilation von Proton und Antiproton zerfallen soll. Die Zerfallsprodukte würden untrügliche Anzeichen für die Bildung von Protonium liefern.

Theoretische Studien über Protonium haben hauptsächlich die nichtrelativistische Quantenmechanik verwendet. Daraus ergeben sich Vorhersagen für die Bindungsenergie und die Lebensdauer der Zustände. Die berechneten Lebensdauern liegen im Bereich von 0,1 bis 10 Mikrosekunden. Im Gegensatz zum Wasserstoffatom, bei dem die dominierenden Wechselwirkungen auf der Coulomb-Anziehung von Elektron und Proton beruhen, wechselwirken die Bestandteile des Protoniums vorwiegend über die starke Wechselwirkung. Daher können Mehrteilchen-Wechselwirkungen mit Mesonen in Zwischenzuständen wichtig sein. Daher wäre die Herstellung und Untersuchung von Protonium auch für das Verständnis der Interkernkräfte von Interesse.

### Quellen

* Englisches Wikipedia - Protonium: https://en.wikipedia.org/wiki/Protonium