Obwohl die meisten Physiker es vermuteten, hatte es bisher noch niemand gesehen. Antimaterie reagiert auf die Schwerkraft auf die gleiche Weise wie Materie. Das heißt, wenn wir Antimaterie fallen lassen, fällt sie genau wie herkömmliche Materie nach unten. Und nein, es wird nicht „nach oben fallen, abgestoßen von einer Art „Antigravitationskraft“.
Tatsächlich ist es einem Team von Forschern der internationalen Zusammenarbeit ALPHA (Antihydrogen Laser Physics Apparatus) am europäischen CERN-Labor in der Schweiz in einem einzigartigen Experiment gelungen, den Abwärtspfad zu beobachten, dem eine Reihe einzelner Antiwasserstoffatome folgten, und lieferte Ergebnisse Nach jahrzehntelangen Zweifeln eine endgültige Antwort: Antimaterie fällt.
Die soeben in „Nature“ veröffentlichte Arbeit schließt daher eine angebliche „Gravitationsabstoßung“ als Erklärung für die praktische Abwesenheit von Antimaterie im Universum aus.
„Der Erfolg der ALPHA-Zusammenarbeit“, sagte Vyacheslav „Slava“ Lukin, Programmdirektor der Physikabteilung der National Science Foundation (NSF), „ist ein Beweis für die Bedeutung der Teamarbeit über Kontinente und wissenschaftliche Gemeinschaften hinweg.“ Das Verständnis der Natur der Antimaterie kann uns nicht nur helfen zu verstehen, wie unser Universum entstanden ist, sondern kann auch neue Innovationen ermöglichen, die nie zuvor für möglich gehalten wurden, wie etwa Positronen-Emissions-Tomographie-Scans (PET), die durch die Anwendung unseres Wissens über Antimaterie viele Leben gerettet haben um Krebszellen und Tumore im Körper zu erkennen.
Das Geheimnis der Antimaterie
Alles um uns herum, von uns selbst bis zu den Wänden unseres Hauses, dem Boden, auf dem wir gehen, der Erde, der Sonne und allen Sternen und Galaxien, die wir sehen können, besteht aus nur einer Handvoll Teilchen wie Protonen, Neutronen usw Elektronen. , die Atome von Sauerstoff, Kohlenstoff, Eisen oder einem anderen Element des Periodensystems bilden. All diese Materie entstand vor 13,76 Milliarden Jahren beim Urknall, aber gleichzeitig muss nach der am weitesten verbreiteten Theorie eine identische Menge „Antimaterie“ entstanden sein, das Spiegelbild gewöhnlicher Materie (nicht zu verwechseln mit dunkler Materie). Angelegenheit). ).
Aber Beobachtungen zeigen uns hartnäckig, dass ein Universum nur aus Materie besteht. Wo ist also all die fehlende Antimaterie? Niemand hat ganze Planeten oder Galaxien aus Antimaterie gesehen und erwartet auch nicht, sie zu sehen. Obwohl es „da draußen“ genauso viel Antimaterie geben sollte wie das, was wir sehen.
Materie und Antimaterie sind genau gleich, bis auf eines: Ihre elektrische Ladung ist entgegengesetzt. Das heißt, wenn ein Elektron (Materie) eine negative Ladung hat, hat sein entsprechendes Antimaterieteilchen, das Positron, eine positive Ladung. Ebenso gibt es für jedes Proton der Materie mit positiver Ladung ein „Antiproton“ der Antimaterie mit negativer Ladung. Und das Gleiche gilt für jedes andere Teilchen.
Aber das stellt ein Problem dar. Wenn ein Teilchen gewöhnlicher Materie (zum Beispiel ein Elektron) auf sein Antiteilchen (ein Positron) trifft, vernichtet es sich in einem kleinen Energiestoß. Wenn also der Urknall die gleiche Menge von der einen wie der anderen „hergestellt“ hätte, hätten sowohl Materie als auch Antimaterie vollständig vernichtet werden müssen, sodass nichts zurückgeblieben wäre.
Und doch gibt es Milliarden von Galaxien und Billionen von Sternen und Planeten, aus denen unser Universum besteht und die sich unserem Verständnis entziehen. Alles aus Materie und ohne die geringste Spur von Antimaterie. Wissenschaftler nennen dieses Problem „Baryogenese“. Eine mögliche Erklärung, die nun durch das neue Experiment ausgeschlossen wurde, war, dass Antimaterie während des Urknalls durch die Schwerkraft von gewöhnlicher Materie „abgestoßen“ wurde. Andere behaupten, dass während des Urknalls aus irgendeinem Grund die Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie gebrochen wurde, so dass mehr Erstere als Letztere entstanden sei. Wenn das so wäre, wäre das Universum, das wir sehen, die „übrig gebliebene“ Materie, die übrig bleibt, nachdem alles andere vernichtet wurde.
Verhält sich Antimaterie genauso wie Materie?
„Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie – erklärt Co-Autor Jonathan Wurtele, Plasmaphysiker an der University of California in Berkeley und Mitglied der ALPHA-Kollaboration – besagt, dass sich Antimaterie genau wie Materie verhalten sollte. Viele indirekte Messungen deuten darauf hin, dass die Schwerkraft erwartungsgemäß mit Antimaterie interagiert, aber bis zum heutigen Ergebnis hatte niemand wirklich eine direkte Beobachtung gemacht, die beispielsweise ausschließen könnte, dass sich Antiwasserstoff in einem Feld nach oben und nicht nach unten bewegt. „gravitativ“.
Um ihr Experiment durchzuführen, erzeugten die Forscher in ihrem Labor eine kleine Menge Antimaterie.
„Im Allgemeinen“, fährt Wurtele fort, „produzieren wir Antimaterie, um ein Experiment wie den Schiefen Turm von Pisa durchzuführen (angeblich von Galileo im 16. Jahrhundert durchgeführt, um eine identische Gravitationsbeschleunigung zweier gleichzeitig gestarteter Objekte mit ähnlichem Volumen, aber unterschiedlicher Masse zu demonstrieren).“ . „Wir lassen die Antimaterie fallen, um zu sehen, ob sie nach oben oder unten geht.“
Während des ALPHA-Experiments befand sich der Antiwasserstoff in einer zylindrischen Vakuumkammer mit einer variablen Magnetfalle namens ALPHA-g. Die Wissenschaftler reduzierten die Stärke des oberen und unteren Magnetfelds der Falle, bis die Antiwasserstoffatome entkommen konnten und der Einfluss der Schwerkraft sichtbar wurde.
Als jedes Antiwasserstoffatom aus der Magnetfalle entwich, berührte es die Wände der Kammer über oder unter der Falle und vernichtete sich, was die Wissenschaftler erkennen und zählen konnten.
Die Forscher wiederholten das Experiment mehr als ein Dutzend Mal und variierten dabei die Stärke des Magnetfelds oben und unten an der Falle, um mögliche Fehler auszuschließen. Sie beobachteten, dass etwa 80 % der Antiwasserstoffatome unterhalb der Falle vernichtet wurden, wenn die geschwächten Magnetfelder oben und unten genau ausgeglichen waren, ein Ergebnis, das mit dem Verhalten einer herkömmlichen Wasserstoffwolke unter den gleichen Bedingungen übereinstimmt.
Es war also klar, dass die Schwerkraft den Wasserstoff zum Absturz brachte. „Wir haben ausgeschlossen“, kommt Würtele zu dem Schluss, dass Antimaterie durch die Gravitationskraft abgestoßen statt angezogen wird. „Das bedeutet nicht, dass es keinen Unterschied in der Gravitationskraft auf Antimaterie gibt, obwohl das nur eine genauere Messung zeigen kann.“
Nun werden Forscher der ALPHA-Kollaboration die Natur von Antiwasserstoff weiter erforschen. Und sie verfeinern nicht nur ihre Messung des Einflusses der Schwerkraft, sondern untersuchen auch mithilfe der Spektroskopie, wie Antiwasserstoff mit elektromagnetischer Strahlung interagiert.
„Wenn sich Antiwasserstoff in irgendeiner Weise von Wasserstoff unterscheiden würde“, sagt der Forscher, „wäre das etwas Revolutionäres, denn physikalische Gesetze, sowohl in der Quantenmechanik als auch in der Schwerkraft, besagen, dass das Verhalten das gleiche sein sollte.“ Allerdings können Sie erst dann sicher sein, wenn Sie das Experiment durchführen.
