Physiker am CERN haben herausgefunden, dass Antimaterie nach unten fällt, nicht nach oben. Das klingt natürlich nach einer Selbstverständlichkeit, aber Wissenschaftler konnten bis heute nicht bestätigen, dass Antimaterie genauso auf die Schwerkraft reagiert wie gewöhnliche Materie. Das neue Experiment gibt die bisher beste Antwort.
Antimaterie ist der Materie, aus der alles um uns herum besteht, sehr ähnlich, mit einem wichtigen Unterschied: Ihre Teilchen haben die entgegengesetzte elektrische Ladung. Und diese einfache Unterscheidung hat einige wichtige Implikationen: Wann immer ein Teilchen und ein Antiteilchen aufeinandertreffen, vernichten (vernichten) sie sich gegenseitig.
Zum Glück für uns auf Materie basierende Wesen ist Antimaterie im Universum extrem selten, aber niemand weiß warum.
Der Urknall hätte zu gleichen Teilen Materie und Antimaterie produziert, was vor Milliarden von Jahren zur Zerstörung aller Inhalte des Universums geführt hätte. Die Tatsache, dass wir heute existieren, zeigt, dass ein unbekannter Faktor ein Ungleichgewicht zugunsten der gewöhnlichen Materie geschaffen hat.
Daher untersuchen Physiker Antimaterie genau, um zu sehen, ob es neben der Ladung noch andere Unterschiede zwischen ihr und gewöhnlicher Materie gibt, die das Ungleichgewicht erklären könnten. Das Standardmodell besagt, dass es keine weiteren Unterschiede geben sollte, wenn Wissenschaftler also etwas finden, könnte dies eine ganz neue Welt der Physik eröffnen.
Das bedeutet, dass Wissenschaftler buchstäblich zu den Grundlagen zurückkehren müssen, um Antimaterie zu untersuchen. Beispielsweise absorbiert und emittiert jedes Element Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen, wodurch eine einzigartige Signatur entsteht, die als Emissionsspektrum bezeichnet wird. Antimaterie sollte das gleiche Spektrum wie Materie haben, aber erst 2016 haben CERN-Wissenschaftler dies endgültig getestet. Tatsächlich wurde festgestellt, dass Antiwasserstoff das gleiche Spektrum wie Wasserstoff hat.
Wie Antimaterie auf die Schwerkraft reagiert, ist eine weitere scheinbar einfache Frage, deren Untersuchung Jahre gedauert hat.
Es mag so klingen, als sollten wir das bereits wissen, aber die meiste Zeit wird Antimaterie in elektromagnetischen Fallen aufgehängt, um zu verhindern, dass sie mit Materie vernichtet wird. Es wird erwartet, dass Antimaterie auf die gleiche Weise auf die Schwerkraft reagiert wie gewöhnliche Materie, aber es besteht eine winzige Chance, dass dies nicht der Fall ist und sie stattdessen nach oben fallen könnte.
Um diese Idee zu testen, platzierte ein Team von Physikern Antiprotonen und negativ geladene Wasserstoffionen in einem elektromagnetischen Gerät namens Penning-Falle. Einmal drinnen, folgen die Teilchen einem zyklischen Weg, und durch Messung ihrer Frequenz können Wissenschaftler ihr Verhältnis von Ladung zu Masse berechnen. Dieses Verhältnis sollte sowohl für Materieteilchen als auch für Antimaterieteilchen gleich sein, aber jeder Unterschied wird durch Unterschiede in ihrer Wechselwirkung mit der Schwerkraft erklärt.
Tatsächlich haben Wissenschaftler herausgefunden, dass Materie und Antimaterie in gleicher Weise auf die Schwerkraft reagieren. Zumindest innerhalb der experimentellen Unsicherheit, die innerhalb von 97 Prozent der Gravitationsbeschleunigung liegt, die die Partikel erfahren. Laut den Forschern ist dies viermal genauer als in früheren Experimenten.
Dies lässt jedoch noch Raum für neue Physik. Andere Experimente testen die Wechselwirkung von Antimaterie mit der Schwerkraft mit einem viel einfacheren Ansatz – indem Antimaterie-Partikel aus einer Höhe fallen gelassen und beobachtet werden, was mit ihnen passiert. Wenn diese Experimente andere Ergebnisse als das aktuelle Experiment zeigen, könnte dies auf eine Physik jenseits des Standardmodells hindeuten.
Die neue Studie ist in der Fachzeitschrift Nature erschienen.
2022-02-06 19:09:37
Autor: Vitalii Babkin