Zum ersten Mal wurde mysteriöser Antimaterie-Absturz beobachtet

Zum ersten Mal haben Wissenschaftler beobachtet, wie Antimaterieteilchen – die mysteriösen Zwillinge der sichtbaren Materie um uns herum – aufgrund der Wirkung der Schwerkraft nach unten fallen, gab das europäische Physiklabor CERN am Mittwoch bekannt.

Das Experiment wurde als „großer Meilenstein“ gefeiert, obwohl die meisten Physiker das Ergebnis erwarteten und es in Einsteins Relativitätstheorie von 1915 vorhergesagt worden war.

Es schließt definitiv aus, dass die Schwerkraft Antimaterie nach oben abstößt – ein Befund, der unser grundlegendes Verständnis des Universums auf den Kopf gestellt hätte.

Man geht davon aus, dass der Urknall vor etwa 13,8 Milliarden Jahren eine gleiche Menge Materie – also das, woraus alles, was man sehen kann, besteht – und Antimaterie, ihr gleichwertiges, aber entgegengesetztes Gegenstück, erzeugt hat.

Allerdings gibt es im Universum praktisch keine Antimaterie, was eines der größten Rätsel der Physik aufwirft: Was ist mit der ganzen Antimaterie passiert?

„Das halbe Universum fehlt“, sagte Jeffrey Hangst, Mitglied der ALPHA-Kollaboration des CERN in Genf, die das neue Experiment durchführte.

„Im Prinzip könnten wir ein Universum – alles, was wir wissen – nur aus Antimaterie aufbauen, und es würde genauso funktionieren“, sagte er gegenüber .

Physiker gehen davon aus, dass Materie und Antimaterie nach dem Urknall aufeinander trafen und sich fast vollständig zerstörten.

Dennoch macht Materie mittlerweile fast fünf Prozent des Universums aus – der Rest ist noch weniger verstandene dunkle Materie und dunkle Energie –, während Antimaterie verschwunden ist.

Newtons Apfel fliegt hoch?

Eine der wichtigsten offenen Fragen zur Antimaterie war, ob die Schwerkraft sie auf die gleiche Weise fallen ließ wie normale Materie.

Während die meisten Physiker daran glaubten, hatten einige das Gegenteil vermutet.

Ein fallender Apfel inspirierte bekanntlich Isaac Newton zu seiner Arbeit über die Schwerkraft – aber wenn dieser Apfel aus Antimaterie bestünde, wäre er dann in den Himmel geschossen?

Und wenn die Schwerkraft tatsächlich Antimaterie abstoßen würde, hätte dies bedeuten können, dass Unmöglichkeiten wie ein Perpetuum mobile möglich wären.

„Warum also nicht etwas fallen lassen und sehen, was passiert?“ Sagte Hangst.

Er verglich das Experiment mit Galileos berühmtem – wenn auch wahrscheinlich apokryphen – Beweis aus dem 16. Jahrhundert, dass zwei vom Schiefen Turm von Pisa fallengelassene Kugeln unterschiedlicher Masse mit der gleichen Geschwindigkeit fallen würden.

Aber dieses Experiment – ​​das Ergebnis von 30 Jahren Arbeit an Antimaterie am CERN – sei „etwas komplizierter“ als das von Galileo, sagte Hangst.

Ein Problem bestand darin, dass Antimaterie außerhalb seltener, kurzlebiger Teilchen im Weltraum kaum existiert.

Doch 1996 produzierten CERN-Wissenschaftler die ersten Atome der Antimaterie – Antiwasserstoff.

Eine weitere Herausforderung bestand darin, dass Materie und Antimaterie, da sie eine entgegengesetzte elektrische Ladung haben, sich in dem Moment, in dem sie aufeinander treffen, in einem heftigen Energieblitz zerstören, den Wissenschaftler als Vernichtung bezeichnen.

Eine Magnetfalle

Um die Wirkung der Schwerkraft auf Antimaterie zu untersuchen, konstruierte das ALPHA-Team eine 25 Zentimeter lange (10 Zoll) Flasche, die an ihrem Ende angebracht war und an der Ober- und Unterseite Magnete hatte.

Ende letzten Jahres platzierten die Wissenschaftler rund 100 sehr kalte Antiwasserstoffatome in dieser „Magnetfalle“ namens ALPHA-g.

Als sie die Stärke beider Magnete verringerten, konnten die Antiwasserstoffpartikel, die mit einer Geschwindigkeit von 100 Metern pro Sekunde herumhüpften, an beiden Enden der Flasche entweichen.

Anschließend zählten die Wissenschaftler einfach, wie viel Antimaterie an jedem Ende der Flasche vernichtet wurde.

Etwa 80 Prozent des Antiwasserstoffs verließen den Boden, was einer ähnlichen Geschwindigkeit entspricht, wie sich regelmäßig springende Wasserstoffatome verhalten würden, wenn sie sich in der Flasche befänden.

Dieses Ergebnis wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Naturzeigt, dass die Schwerkraft dazu führt, dass Antimaterie nach unten fällt, wie Einsteins Relativitätstheorie von 1915 vorhersagte.

In mehr als einem Dutzend Experimenten variierten die CERN-Wissenschaftler die Stärke der Magnete und beobachteten dabei die Wirkung der Schwerkraft auf Antimaterie in unterschiedlichem Ausmaß.

Während das Experiment ausschließt, dass die Schwerkraft Antiwasserstoff nach oben treibt, betonte Hangst, dass es nicht beweise, dass sich Antimaterie genauso verhält wie normale Materie.

„Das ist unsere nächste Aufgabe“, sagte er.

Marco Gersabeck, ein Physiker, der am CERN arbeitet, aber nicht an der ALPHA-Forschung beteiligt war, sagte, es sei „ein großer Meilenstein“.

Aber es sei „nur der Beginn einer Ära“ präziserer Messungen der Wirkung der Schwerkraft auf Antimaterie, sagte er gegenüber .

Weitere Versuche, Antimaterie besser zu verstehen, umfassen die Verwendung des Large Hadron Collider des CERN zur Untersuchung seltsamer Teilchen, sogenannter Beauty-Quarks.

Und an Bord der Internationalen Raumstation gibt es ein Experiment, bei dem versucht wird, Antimaterie in kosmischer Strahlung einzufangen.

Aber warum genau das Universum voller Materie, aber frei von Antimaterie ist, „bleibt vorerst ein Rätsel“, sagte der Physiker Harry Cliff.

Da sich beide im frühen Universum gegenseitig vollständig vernichtet hätten, „deutet die Tatsache, dass wir existieren, darauf hin, dass da etwas vor sich geht, das wir nicht verstehen“, fügte er hinzu.

© 2023