Zusammenfassung:
Wissenschaftler der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich und des Paul Scherrer Instituts haben kürzlich einen wichtigen Fortschritt erzielt. Sie verwendeten superflüssiges Helium nahe dem absoluten Nullpunkt, um einen gut kontrollierbaren Strahl aus Myonenatomen zu erzeugen. Mit diesem speziellen Atom wollen sie direkt testen, ob die Schwerkraft auf Elementarteilchen der zweiten Generation genau die gleiche Wirkung hat wie gewöhnliche Materie.
Der Schlüssel zu dieser Forschung besteht nicht darin, zu beweisen, dass es Probleme mit Einsteins Theorie gibt, sondern darin, zum ersten Mal zu versuchen, das Ziel der Prüfung des Gravitationsäquivalenzprinzips auf die zweite Generation von Elementarteilchen auszudehnen. Sollte das Experiment letztendlich ergeben, dass sich die Bewegung von Mäusen im Gravitationsfeld der Erde auf unerklärliche Weise von der gewöhnlicher Materie unterscheidet, könnten die Ergebnisse Hinweise auf neue Physik jenseits des aktuellen Standardmodells liefern und sogar eine hypothetische „fünfte Grundkraft“ beinhalten.
Materie in der Alltagswelt besteht hauptsächlich aus Protonen, Neutronen und Elektronen. Diese Teilchen gehören zu den sogenannten Elementarteilchen der ersten Generation. In der Natur gibt es auch Teilchen der zweiten und dritten Generation mit größerer Masse, unter denen Myonen die „Verwandten“ der Elektronen der zweiten Generation sind. Die Masse eines Myons beträgt etwa das 207-fache der Masse eines Elektrons, es ist jedoch kein stabiler Bestandteil gewöhnlicher Atome, sondern ein Elementarteilchen mit einer extrem kurzen Lebensdauer.
Das Standardmodell kann diese unterschiedlichen Generationen von Teilchen beschreiben, aber es kann eine seit langem bestehende Grundfrage nicht erklären: Warum die Natur drei Generationen von Elementarteilchen benötigt und warum es neben der ersten Generation auch Teilchen der zweiten und dritten Generation mit deutlich größeren Massen gibt.
Daher hoffen Wissenschaftler, durch die Untersuchung des Gravitationsverhaltens von Myonen mehr über die grundlegenden Eigenschaften dieser Teilchen zu erfahren. Eine zentrale Frage ist, ob Einsteins Äquivalenzprinzip nicht nur für gewöhnliche Materie gilt, sondern auch für Materie aus Elementarteilchen der zweiten Generation.
Das sogenannte Äquivalenzprinzip hängt mit einem sehr bekannten Phänomen zusammen: Wenn äußere Faktoren wie der Luftwiderstand ignoriert werden, fallen Objekte unterschiedlicher Masse und Zusammensetzung im gleichen Gravitationsfeld auf die gleiche Weise frei. Die moderne Physik verknüpft dieses Phänomen mit der Äquivalenz zwischen schwerer und träger Masse, die auch eine der wichtigen Grundlagen der Allgemeinen Relativitätstheorie darstellt.
In der Vergangenheit hat der Mensch zahlreiche hochpräzise Experimente mit gewöhnlicher Materie durchgeführt und auch Schwerkrafttests an Antimaterie der ersten Generation durchgeführt, bei Elementarteilchen der zweiten Generation ist die Situation jedoch völlig anders. Die Untersuchung der Schwerkraft von Myonen ist schwierig, da Myonen im Durchschnitt nur etwa 2,2 Mikrosekunden leben, bevor sie zerfallen.
Die Forscher wählten einen speziellen Atomtyp namens „Musin“, um einen Teil des Problems zu lösen. Myonen bestehen aus einem positiv geladenen Antimyon und einem negativ geladenen Elektron. In Kombination sind beide elektrisch neutral. Obwohl seine Struktur der eines Wasserstoffatoms ähnelt, stammt der größte Teil seiner Masse aus Antimyonen, die viel schwerer als Elektronen sind.
Elektrische Neutralität ist eine wichtige Voraussetzung für die Durchführung von Experimenten. Die Schwerkraft selbst ist sehr schwach. Wenn geladene Teilchen direkt an Experimenten beteiligt sind, kann das extrem schwache elektromagnetische Feld um sie herum einen Einfluss haben, der weit über den Gravitationseffekt hinausgeht und das Signal, das Wissenschaftler eigentlich messen wollen, völlig übertönt.
Allerdings gibt es bei den bisherigen Methoden zur Herstellung von Mucin immer noch ein ernstes Problem: Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung des produzierten Mucins variieren stark. Dies macht es für Wissenschaftler schwierig, seine Flugbahn genau zu messen, wenn er nur eine Lebensdauer von 2,2 Mikrosekunden hat, ganz zu schweigen davon, nach extrem kleinen Abweichungen zu suchen, die durch die Schwerkraft der Erde verursacht werden.
Der größte Durchbruch in dieser Forschung besteht darin, das Problem der Kontrolle des Myonenstrahls zu lösen.
Das Forscherteam feuerte Antimyonen aus dem Teilchenbeschleuniger des Paul Scherrer Instituts in eine Schicht supraflüssigen Heliums bei einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt. Superflüssiges Helium ist eine spezielle Quantenflüssigkeit, die bei extrem niedrigen Temperaturen ganz besondere Eigenschaften aufweist.
Nach dem Eintritt in superflüssiges Helium werden Antimyonen schnell abgebremst und können sich mit freien Elektronen zu Myonen verbinden. Die Maus wird dann dem besonderen chemischen Potenzial von supraflüssigem Helium ausgesetzt. Wenn es die Oberfläche der Flüssigkeit erreicht, wird die in diesem chemischen Potenzial gespeicherte Energie in kinetische Energie umgewandelt, wodurch die Maus von der Flüssigkeitsoberfläche vertikal nach oben fliegt.
Forscher nennen diesen Vorgang daher treffend „Atomkanone“.
Im Vergleich zu den in der Vergangenheit produzierten unordentlichen Myonen kann die neue Methode „kalte“ Muzinstrahlen mit gleichmäßigeren Geschwindigkeiten und paralleleren Bewegungsrichtungen erzeugen. „Kalt“ bedeutet hier nicht einfach nur niedrige Temperatur, sondern bedeutet, dass die Bewegungsgeschwindigkeitsverteilung dieser Atome konzentrierter ist und sich mit relativ konstanter Geschwindigkeit in nahezu parallele Richtungen ausbreiten kann.
Dies ist entscheidend für das nächste Schwerkraftexperiment. Da Myonen nur wenige Mikrosekunden lang existieren können, müssen Forscher ihnen ermöglichen, den gesamten Prozess von der Produktion über den Flug bis zur Messung in sehr kurzer Zeit abzuschließen. Superflüssiges Helium trägt nicht nur dazu bei, einen gleichmäßigeren Myonenstrahl zu erzeugen, es ermöglicht den Myonen auch, zahlreiche Kollisionen und Streuungen zu vermeiden, bevor sie die Flüssigkeit verlassen.
Der nächste Schritt für die Forscher besteht darin, mithilfe eines Atominterferometers echte Schwerkraftmessungen durchzuführen. Atome besitzen einen Welle-Teilchen-Dualismus und können daher wie Lichtwellen interferieren. Wissenschaftler werden einen Strahl muriner Atome durch ein präzisionsgefertigtes Interferenzgerät schicken und dann beobachten, ob die Schwerkraft der Erde extrem kleine Verschiebungen im resultierenden Interferenzmuster verursacht.
Wenn diese Ablenkung genau gemessen werden kann, lässt sich die Bewegung von Myonen im Gravitationsfeld der Erde berechnen und so direkt testen, ob die Teilchen der zweiten Generation denselben Gesetzen des freien Falls folgen wie gewöhnliche Materie.
Das Forschungsteam hofft, den gesamten experimentellen Ansatz dieses Jahr erstmals mit dem neu geschaffenen Atomstrahl testen zu können. Wenn alles gut geht, wird erwartet, dass innerhalb der nächsten zwei bis drei Jahre ein echtes Myonengravitationsexperiment durchgeführt wird.
Diese Technologie hat auch andere Einsatzmöglichkeiten. Da nun ein intensitätsstärkerer und gleichmäßigerer Myonenstrahl zur Verfügung steht, können Forscher damit auch präzisere Laserspektroskopie-Experimente durchführen. Diese Messungen sollen den Wissenschaftlern dabei helfen, die Masse des Myons und andere grundlegende physikalische Konstanten weiter zu bestimmen.
Was wirklich spannend ist, sind die möglichen „unerwarteten Ergebnisse“ des Experiments.
Wenn sich Mäuse in einem Gravitationsfeld anders verhalten als gewöhnliche Materie, würde das bedeuten, dass es in der bestehenden physikalischen Theorie einen unentdeckten Faktor gibt. Die Forscher glauben, dass die Anomalie neben anderen möglichen theoretischen Erklärungen sogar auf eine noch unentdeckte „fünfte Grundkraft“ hinweisen könnte.
Gegenwärtig hat die Physik vier grundlegende Wechselwirkungen bestätigt, nämlich Schwerkraft, elektromagnetische Wechselwirkung, starke Wechselwirkung und schwache Wechselwirkung. Physiker haben in der Vergangenheit verschiedene theoretische Modelle für die mögliche Existenz einer fünften Grundkraft vorgeschlagen, aber bisher gab es keinen akzeptierten direkten experimentellen Beweis.
Das Forschungsteam hat dieses Experiment jedoch nicht konzipiert, um „die fünfte Kraft zu finden“. Die Forscher betonten, dass das direkteste und wichtigste Ziel des Experiments tatsächlich grundlegender sei: erstmals zu messen, ob die Myonen, die aus Elementarteilchen der zweiten Generation bestehen, ebenfalls dem äquivalenten Verhältnis zwischen schwerer Masse und träger Masse folgen.
Daher stellt diese Forschung derzeit weder Einsteins Theorie um, noch entdeckt sie eine fünfte Kraft. Wissenschaftler haben gerade endlich eine experimentelle Technik entwickelt, mit der dieses Problem tatsächlich gemessen werden kann.
Wenn das Endergebnis mit den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie übereinstimmt, wird es weiter beweisen, dass das Äquivalenzprinzip nicht nur für die uns bekannte Materie der ersten Generation gilt, sondern auch für die Elementarteilchen der zweiten Generation; Wenn die Ergebnisse auf zuverlässige Weise abweichen, die nicht durch bekannte Fehler erklärt werden kann, müssen Physiker die bestehende Theorie erneut überprüfen und nach neuen physikalischen Mechanismen suchen, die diese Anomalie erklären können.
Mit anderen Worten, das Ziel dieser sogenannten „Atomkanone“ ist nicht Einstein selbst, sondern eine grundlegende Frage, die sich seit Hunderten von Jahren beschäftigt: ob verschiedene Arten von Materie im Universum die Schwerkraft wirklich auf genau die gleiche Weise spüren.
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