Antimaterie fasziniert und verwirrt Physiker seit fast einem Jahrhundert, und die Auswirkung der Schwerkraft auf sie sorgt seit jeher für Uneinigkeit. Neue Forschungen könnten diese Debatte lösen, indem sie feststellen, dass Antiwasserstoffatome (das Antimaterie-Gegenstück von Wasserstoff) auf die gleiche Weise von der Schwerkraft beeinflusst werden wie ihre materiellen Gegenstücke, was die Möglichkeit einer abstoßenden „Antigravitation“ ausschließt.
Im 17. Jahrhundert entwickelte Isaac Newton seine Theorie der Schwerkraft, nachdem er beobachtet hatte, wie ein Apfel von einem Baum fiel. Jahrhunderte später stellte Albert Einstein seine allgemeine Relativitätstheorie vor, die nach wie vor die erfolgreichste und am besten überprüfbare Beschreibung der Schwerkraft darstellt. Antimaterie war Einstein jedoch unbekannt.
Im Jahr 1928 stellte der britische Physiker Paul Dirac die Theorie auf, dass es zu jedem Teilchen ein entsprechendes Antiteilchen gibt, und sagte die Existenz von Positronen (oder Antielektronen) voraus. Seitdem gibt es viele Spekulationen über die Wechselwirkung zwischen Schwerkraft und Antimaterie. Einige gehen davon aus, dass Antimaterie von der Schwerkraft abgestoßen wird, andere wiederum davon, dass sie von der Schwerkraft angezogen wird.
Eine neue Studie der Zusammenarbeit der Antihydrogen Laser Physics Facility (ALPHA) des CERN könnte diese Debatte beigelegt haben, indem sie herausfand, dass Antiwasserstoffatome (das Antimaterie-Gegenstück von Wasserstoff) auf die gleiche Weise auf die Erde fallen wie ihre materiellen Gegenstücke.
Jeffrey Hangst, der korrespondierende Autor der Studie, sagte: „In der Physik kann man etwas nur wirklich verstehen, indem man es beobachtet. Dies ist das erste Experiment, das den Einfluss der Schwerkraft auf die Bewegung von Antimaterie direkt beobachtet. Dies ist ein Meilenstein in der Erforschung der Antimaterie, die uns aufgrund ihrer scheinbaren Abwesenheit im Universum immer noch Rätsel aufgibt.“
Beim ALPHA-Experiment geht es darum, Antiwasserstoffatome in einer Falle zu erzeugen, einzufangen und zu untersuchen. Antiwasserstoffatome sind elektrisch neutrale und stabile Antimaterieteilchen und eignen sich daher ideal für die Untersuchung des Gravitationsverhaltens von Antimaterie. Antiwasserstoff besteht aus zwei Antiteilchen, Antiprotonen und Positronen. Ein Antiproton ist ein subatomares Teilchen mit der gleichen Masse wie ein Proton, aber einer negativen Ladung.
Das ALPHA-Team hat kürzlich ein vertikales Instrument namens ALPHA-g gebaut, wobei das „g“ die lokale Erdbeschleunigung darstellt, die für Materie 32,2 Fuß pro Sekunde (9,81 Meter pro Sekunde) beträgt. ALPHA-g kann die vertikale Position von Antiwasserstoffatomen messen, wenn sie auf ihre entsprechende Materie treffen – ein Prozess, der als Vernichtung bekannt ist – und die Atome entkommen, sobald das Magnetfeld der Falle ausgeschaltet wird.
Die Forscher erfassten jeweils eine Gruppe von etwa 100 Antiwasserstoffatomen. Anschließend setzten sie die Atome über einen Zeitraum von 20 Sekunden langsam frei, indem sie den Strom in den oberen und unteren Fallenmagneten schrittweise reduzierten. Computersimulationen sagten voraus, dass 20 Prozent der Atome von der Oberseite der Falle und 80 Prozent von der Unterseite freigesetzt würden, ein Unterschied, der durch den nach unten gerichteten Effekt der Schwerkraft verursacht wird. Die Forscher mittelten die Ergebnisse aus sieben Freisetzungsexperimenten und stellten fest, dass das Verhältnis der von oben nach unten fließenden Antiatome mit den Simulationen übereinstimmte. Das heißt, Antiwasserstoffatome fallen auf die gleiche Weise wie Wasserstoffatome unter 1 Gramm (d. h. normale Schwerkraft).
Mit dem ALPHA-g-Instrument haben Forscher Galileos berühmtes Schwerkraftexperiment effektiv nachgebildet. Der Legende nach ließ der italienische Wissenschaftler Eisenkugeln unterschiedlichen Gewichts von der Spitze des Schiefen Turms von Pisa fallen, die alle gleichzeitig auf dem Boden aufschlugen, was bewies, dass die Schwerkraft dazu führte, dass Objekte unterschiedlicher Masse mit der gleichen Beschleunigung fielen.
Die Forscher sagen, dass ihre Ergebnisse die Möglichkeit einer abstoßenden „Antigravitation“ ausschließen, die aktuelle Studie markiert jedoch nur den Anfang einer detaillierten, direkten Untersuchung der Gravitationseigenschaften von Antimaterie.
„Wir haben 30 Jahre gebraucht, um zu lernen, wie man dieses Antiatom herstellt, wie man es packt und wie man es so gut kontrolliert, dass wir es tatsächlich so fallen lassen konnten, dass es empfindlich auf die Schwerkraft reagiert“, sagte Hangst. „Der nächste Schritt besteht darin, die Beschleunigung möglichst genau zu messen. Wir wollen testen, ob Materie und Antimaterie tatsächlich auf die gleiche Weise fallen.“
Die Forschung wurde in der Zeitschrift Nature veröffentlicht. Im folgenden vom CERN produzierten Video erklärt Jeffrey Hangst die Funktionsweise von ALPHA-g, die Ursachen und Ergebnisse des Antimaterie-Gravitationsexperiments.