Antimaterie reagiert genauso wie Materie auf die Schwerkraft

Im siebzehnten Jahrhundert stellte Isaac Newton nach dem Beobachten eines fallenden Apfels den Gravitationstheorie auf und fragte sich, warum der Apfel gerade hinunterfiel und nicht seitlich oder nach oben. Jahrhunderte später entwickelte Albert Einstein seine allgemeine Relativitätstheorie, die bis heute die erfolgreichste und getestetste Beschreibung der Schwerkraft ist. Die Existenz von Antimaterie war jedoch Einstein nicht bekannt.

1928 spekulierte der britische Physiker Paul Dirac, dass zu jedem Teilchen ein entsprechendes Antiteilchen existiert. Er sagte die Existenz des Positrons oder Antielektrons vorher, das 1932 zum ersten Mal beobachtet wurde. Seitdem gibt es viel Spekulationen über die Wechselwirkung zwischen Schwerkraft und Antimaterie, wobei einige argumentieren, dass die Antimaterie von der Schwerkraft abgestoßen wird und andere argumentieren, dass sie angezogen wird.

Eine neue Studie der Alpha Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA) Zusammenarbeit am Europäischen Kernforschungszentrum (CERN) könnte die Debatte beenden. Antihydrogen-Atome, das Gegenstück zur Antimaterie von Wasserstoff, fallen demnach auf die Erde genauso wie Materie.

"In der Physik weißt du etwas erst, wenn du es beobachtest", sagt Jeffrey Hangst, Hauptautor der Studie. "Dies ist das erste direkte Experiment, das tatsächlich eine gravitationelle Wirkung auf die Bewegung von Antimaterie beobachtet. Es ist ein Meilenstein in der Erforschung der Antimaterie, die uns aufgrund ihrer scheinbaren Abwesenheit im Universum immer noch rätselt."

Das Alpha-Experiment befasst sich mit der Herstellung, Einfang und Untersuchung von Antihydrogen-Atomen in einer Falle. Antihydrogen-Atome sind elektrisch neutrale und stabile Teilchen der Antimaterie, was sie ideal für die Erforschung des gravitationellen Verhaltens der Antimaterie macht. Antihydrogen entsteht durch die Kombination der beiden Bestandteile Antiprotonen und Positronen. Ein Antiproton ist ein subatomares Teilchen mit derselben Masse wie ein Proton, aber mit einer negativen elektrischen Ladung.

Das ALPHA-Team hat kürzlich eine vertikale Apparatur namens ALPHA-g gebaut, wobei das "g" für die örtliche Erdbeschleunigung steht. Diese beträgt für Materie 32,2 Fuß/Sek2 (9,81 m/Sek2). ALPHA-g ermöglicht es, die vertikalen Positionen zu messen, an denen Antihydrogen-Atome mit ihrer entsprechenden Materie – einem Vorgang, der Annihilation genannt wird – aufeinandertreffen, sobald das Magnetfeld der Falle abgeschaltet wird und die Atome entkommen können.

Die Forscher fingen Gruppen von etwa 100 Antihydrogen-Atomen ein, eine Gruppe nach der anderen. Anschließend ließen sie die Atome langsam über einen Zeitraum von 20 Sekunden frei, indem sie den Strom in den oberen und unteren Magneten der Falle allmählich reduzierten. Computersimulationen sagten voraus, dass 20% der Atome durch die Oberseite der Falle austreten und 80% durch die Unterseite, ein Unterschied, der durch die nach unten gerichtete Wirkung der Schwerkraft verursacht wird. Durchschnittlich stellten die Forscher fest, dass die Antihydrogen-Atome genauso fielen wie Wasserstoffatome unter 1 g, also normaler Schwerkraft.

Mit der ALPHA-g Apparatur haben die Forscher das berühmte Schwerkraftexperiment von Galileo nachgestellt. Der Legende nach ließ der italienische Wissenschaftler Eisenkugeln mit unterschiedlichen Gewichten vom Turm von Pisa fallen, und sie landeten zur gleichen Zeit, was zeigt, dass die Schwerkraft Objekte mit unterschiedlichen Massen mit der gleichen Beschleunigung fallen lässt.

Obwohl die Forscher sagen, dass ihre Ergebnisse die Existenz einer abstoßenden "Antischwerkraft" ausschließen, markiert die aktuelle Studie nur den Anfang detaillierter, direkter Untersuchungen zur Schwerkraft der Antimaterie.

"Es hat uns 30 Jahre gedauert, zu lernen, wie man dieses Antiateilchen herstellt, festhält und so gut kontrolliert, dass wir es tatsächlich auf eine Weise fallen lassen können, die empfindlich auf die Schwerkraft wirkt", sagt Hangst. "Der nächste Schritt besteht darin, die Beschleunigung so präzise wie möglich zu messen. Wir wollen testen, ob Materie und Antimaterie tatsächlich auf dieselbe Weise fallen."

Die Studie wurde zuerst in der Zeitschrift Nature veröffentlicht. In dem unten gezeigten Video, das von CERN produziert wurde, erklärt Jeffrey Hangst, wie ALPHA-g funktioniert und die Gründe für und die Ergebnisse der Antimaterie-Schwerkraftexperimente.



Quelle: ALPHA experiment at CERN observes the influence of gravity on antimatter