Eine Substanz namens Antimaterie ist das Herzstück eines der größten Geheimnisse des Universums. Wir wissen, dass jedes Teilchen einen Antimaterie-Begleiter hat, der praktisch identisch mit ihm selbst ist, aber die entgegengesetzte Ladung trägt. Wenn ein Teilchen und sein Antiteilchen aufeinander treffen, vernichten sie sich gegenseitig und verschwinden in einem Lichtstoß.
Unser derzeitiges Verständnis der Physik geht davon aus, dass bei der Entstehung des Universums gleiche Mengen an Materie und Antimaterie entstanden sein müssten. Dies scheint jedoch nicht geschehen zu sein, da dies zur sofortigen Vernichtung aller Teilchen geführt hätte.
Stattdessen gibt es um uns herum viel Materie, aber nur sehr wenig Antimaterie – selbst tief im Weltraum. Dieses Rätsel hat zu einer umfassenden Suche geführt, um Fehler in der Theorie zu finden oder das Fehlen der Antimaterie auf andere Weise zu erklären.
Ein solcher Ansatz konzentrierte sich auf die Schwerkraft. Vielleicht verhält sich Antimaterie unter der Schwerkraft anders und wird in die entgegengesetzte Richtung zur Materie gezogen? Wenn ja, könnten wir uns einfach in einem Teil des Universums befinden, von dem aus es unmöglich ist, die Antimaterie zu beobachten.
Unsere neue Studie, veröffentlicht in Naturverrät, wie sich Antimaterie unter dem Einfluss der Schwerkraft tatsächlich verhält.
Andere Ansätze zur Frage, warum wir mehr Materie als Antimaterie beobachten, umfassen zahlreiche Teilgebiete der Physik. Diese reichen aus der Astrophysik– mit dem Ziel, das Verhalten von Antimaterie im Kosmos zu beobachten und vorherzusagen mit Experimenten—zur Hochenergieteilchenphysik, Untersuchung der Prozesse und fundamentalen Teilchen, die Antimaterie bilden und ihr Leben bestimmen.
Obwohl leichte Unterschiede in der Lebensdauer einiger Antimaterieteilchen im Vergleich zu ihren materiellen Gegenstücken beobachtet wurden, sind diese Ergebnisse noch lange keine ausreichende Erklärung der Asymmetrie.
Es wird erwartet, dass die physikalischen Eigenschaften von Antiwasserstoff – einem Atom, das aus einem Antimaterie-Elektron (dem Positron) besteht, das an ein Antimaterie-Proton (Antiproton) gebunden ist – exakt mit denen von Wasserstoff übereinstimmen. Wir gehen davon aus, dass Antiwasserstoff nicht nur die gleichen chemischen Eigenschaften wie Wasserstoff wie Farbe und Energie besitzt, sondern sich auch in einem Gravitationsfeld gleich verhält.
Das sogenannte „schwache Äquivalenzprinzip“ in der Allgemeinen Relativitätstheorie besagt, dass die Bewegung von Körpern in einem Gravitationsfeld unabhängig von ihrer Zusammensetzung ist. Dies besagt im Wesentlichen, dass die Art und Weise, aus der etwas besteht, keinen Einfluss darauf hat, wie die Schwerkraft seine Bewegungen beeinflusst.
Diese Vorhersage wurde mit extrem hoher Genauigkeit für Gravitationskräfte mit einer Vielzahl von Materieteilchen getestet, jedoch nie direkt für die Bewegung von Antimaterie.
Selbst bei Materieteilchen unterscheidet sich die Schwerkraft von anderen physikalischen Theorien, da sie noch mit den Theorien zur Beschreibung von Antimaterie vereinheitlicht werden muss. Jeder beobachtete Unterschied in der Antimaterie-Gravitation könnte helfen, Licht in beide Fragen zu bringen.
Bisher gab es keine direkten Messungen zur Gravitationsbewegung von Antimaterie. Das Studium ist ziemlich anspruchsvoll, da die Schwerkraft die schwächste Kraft ist.
Das bedeutet, dass es schwierig ist, die Auswirkungen der Schwerkraft von anderen äußeren Einflüssen zu unterscheiden. Es war nur mit dem jüngste technische Fortschritte stabile (langlebige), neutrale und kalte Antimaterie zu erzeugen, dass Messungen möglich geworden sind.
Eingeschlossene Antimaterie
Unsere Arbeit fand am statt ALPHA-g-Experiment am CERN, dem weltweit größten Labor für Teilchenphysik mit Sitz in der Schweiz, das die Auswirkungen der Schwerkraft testen sollte, indem es Antiwasserstoff in einer vertikalen, zwei Meter hohen Falle enthielt. Antiwasserstoff entsteht in der Falle durch die Kombination seiner Antimateriebestandteile: der Position und des Antiprotons.
Positronen werden von einigen radioaktiven Materialien leicht erzeugt – wir haben radioaktives Speisesalz verwendet. Um jedoch kalte Antiprotonen zu erzeugen, mussten wir diese nutzen riesige Teilchenbeschleuniger und eine einzigartige Verzögerungsanlage, die am CERN betrieben wird.
Beide Bestandteile sind elektrisch geladen und können in speziellen Vorrichtungen, sogenannten Penningfallen, die aus elektrischen und magnetischen Feldern bestehen, unabhängig voneinander als Antimaterie eingefangen und gespeichert werden.
Anti-Atome werden jedoch nicht durch die Penning-Fallen zurückgehalten, und so hatten wir ein zusätzliches Gerät namens „Magnetflaschenfalle“, das die Anti-Atome einschränkte. Diese Falle wurde durch Magnetfelder erzeugt, die von zahlreichen supraleitenden Magneten erzeugt wurden.
Diese wurden betrieben, um die relativen Stärken der verschiedenen Seiten der Flasche zu kontrollieren. Insbesondere wenn wir die Ober- und Unterseite der Flasche schwächen würden, könnten die Atome die Falle unter dem Einfluss der Schwerkraft verlassen.
Wir haben gezählt, wie viele Anti-Atome nach oben und unten entkommen sind, indem wir die Antimaterie-Vernichtungen entdeckt haben, die durch die Kollision der Anti-Atome mit umgebenden Materieteilchen in der Falle entstanden sind. Durch den Vergleich dieser Ergebnisse mit detaillierten Computermodellen dieses Prozesses in normalen Wasserstoffatomen konnten wir auf die Wirkung der Schwerkraft auf die Antiwasserstoffatome schließen.
Unsere Ergebnisse sind die ersten des ALPHA-g-Experiments und die erste direkte Messung der Bewegung von Antimaterie in einem Gravitationsfeld. Sie zeigen, dass die Antiwasserstoff-Gravitation die gleiche ist wie die von Wasserstoff, sie fällt innerhalb der Unsicherheitsgrenzen des Experiments eher ab als zu steigen.
Dies bedeutet, dass unsere Forschung empirisch ausgeschlossen hat, dass a eine Reihe historischer Theorien Dabei handelt es sich um sogenannte „Antigravitation“, was darauf hindeutet, dass Antimaterie genau in die entgegengesetzte Richtung gravitiert wie normale Materie.
Die aktuelle Messung ist ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zum Experimentziel. Zukünftige Arbeiten am ALPHA-g-Experiment werden seine Präzision durch eine bessere Charakterisierung und Kontrolle wichtiger Aspekte des Experiments, wie der Fallen und der Atomkühlsysteme, verbessern.
Es gibt noch viel Raum für neue Ergebnisse, die zur Erklärung der Materie-Antimaterie-Asymmetrie beitragen können. Die Physik soll die beobachtete Realität beschreiben, und es kann immer Überraschungen in der Art und Weise geben, wie die Welt funktioniert.
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