Ein bahnbrechendes Experiment am CERN könnte helfen zu erklären, warum Antimaterie im frühen Universum offenbar den Kürzeren gezogen hat. Wenn man Antimaterie fallen lässt, fällt sie dann nach unten oder steigt sie nach oben? In einem einzigartigen Laborexperiment haben Forscher nun die Abwärtsbewegung eines einzelnen Antiwasserstoffatoms beobachtet und eine klare Antwort geliefert:Antimaterie fällt nach unten.

Dieses Bild zeigt Antiwasserstoffatome, die in einer Magnetfalle fallen und vernichten, die Teil des ALPHA-g-Experiments des CERN ist, mit dem die Wirkung der Schwerkraft auf Antimaterie gemessen werden soll. Bildquelle: National Science Foundation

Diese Entdeckung bestätigt zwar die gravitative Anziehungskraft von Antimaterie und regulärer Materie, schließt aber auch aus, dass die gravitative Abstoßung der Grund dafür ist, dass Antimaterie im beobachtbaren Universum weitgehend fehlt.

Forscher der International Antihydrogen Laser Physics Facility (ALPHA)-Kollaboration am CERN in der Schweiz veröffentlichten ihre Ergebnisse heute in der Zeitschrift Nature.

„Der Erfolg der ALPHA-Zusammenarbeit zeigt, wie wichtig Teamarbeit über Kontinente und wissenschaftliche Gemeinschaften hinweg ist“, sagte Vyacheslav „Slava“ Lukin, Programmdirektor in der Abteilung für Physik der National Science Foundation. „Das Verständnis der Eigenschaften von Antimaterie hilft uns nicht nur zu verstehen, wie das Universum entstanden ist, sondern ermöglicht auch beispiellose Innovationen – wie die Positronenemissionstomographie (PET), die viele Leben rettet, indem sie unser Wissen über Antimaterie zur Erkennung von Krebstumoren im Körper anwendet.“

Die Antihydrogen Laser Physics Facility (ALPHA)-Kollaboration ist eine internationale Gruppe am CERN, die Antiwasserstoffatome nutzt, um grundlegende Symmetrien zwischen Materie und Antimaterie zu verstehen. Forscher haben bahnbrechende Ergebnisse eines Experiments bekannt gegeben, das darauf abzielt, die Auswirkungen der Schwerkraft auf Antimaterie zu verstehen. Bildquelle: National Science Foundation

Der schwer fassbare veränderliche Zwilling der Materie

Mit Ausnahme der in „Star Trek“ vorgestellten, mit Antimaterie betriebenen Warpantriebe und Photonentorpedos ist Antimaterie völlig real, aber auf mysteriöse Weise rar.

„Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass sich Antimaterie genau wie Materie verhalten sollte“, sagte Jonathan Wurtele, Plasmaphysiker an der University of California in Berkeley und Mitglied der ALPHA-Kollaboration. „Viele indirekte Messungen zeigen, dass die Schwerkraft wie erwartet mit Antimaterie interagiert.“ „Aber bis zu den heutigen Ergebnissen hatte niemand tatsächlich direkte Beobachtungen durchgeführt, um die Möglichkeit auszuschließen, dass sich Antiwasserstoff im Gravitationsfeld nach oben statt nach unten bewegte.“

Unser Körper, die Erde und fast alles andere im Universum, über das Wissenschaftler wissen, besteht überwiegend aus regulärer Materie, die aus Protonen, Neutronen und Elektronen besteht, wie etwa Sauerstoff-, Kohlenstoff-, Eisenatomen und anderen Elementen des Periodensystems.

Antimaterie hingegen ist der Zwillingsbruder der gewöhnlichen Materie, allerdings mit einigen gegensätzlichen Eigenschaften. Antiprotonen haben beispielsweise eine negative Ladung, während Protonen eine positive Ladung haben. Antielektronen (auch Positronen genannt) sind positiv geladen, während Elektronen negativ geladen sind.

Kevin M. Jones ist Projektmanager in der Physikabteilung der National Science Foundation und emeritierter William Edward McElfresh-Professor für Physik am Williams College. Er stellte kurz vor, was Antimaterie ist und welchen allgemeinen Wert die Erforschung von Antimaterie hat. Quelle: National Science Foundation

Die vielleicht größte Herausforderung für Experimentatoren ist jedoch, dass „Antimaterie explodiert, sobald sie mit Materie in Kontakt kommt“, sagte Joel Fajans, Plasmaphysiker an der University of California in Berkeley und Mitglied der ALPHA-Kollaboration.

Die kombinierte Masse aus Materie und Antimaterie wird in einer Reaktion, die so intensiv ist, dass Wissenschaftler sie Vernichtung nennen, vollständig in Energie umgewandelt.

Für eine gegebene Masse ist diese Vernichtung die intensivste uns bekannte Form der Energiefreisetzung. Allerdings ist die im ALPHA-Experiment verwendete Menge an Antimaterie so gering, dass nur empfindliche Detektoren die durch die Antimaterie-/Materie-Vernichtung erzeugte Energie erfassen können. Wir müssen die Antimaterie also sehr sorgfältig manipulieren, sonst verlieren wir sie.

Konzeptionelles Bild von Antiwasserstoffatomen in der Magnetfalle des ALPHA-g-Geräts. Wenn die Magnetfeldstärke oben und unten in der Falle schwächer wird, entweichen Antiwasserstoffatome, berühren die Fallenwände und vernichten sich. Der größte Teil der Vernichtung findet unterhalb der Kammer statt, was darauf hindeutet, dass die Schwerkraft die Antiwasserstoffatome nach unten zieht. Die rotierenden Magnetfeldlinien in der Animation stellen die unsichtbaren Auswirkungen von Magnetfeldern auf Antiwasserstoffatome dar. In tatsächlichen Experimenten dreht sich das Magnetfeld nicht. Quelle: Keyi „Onyx“ Li/National Science Foundation

Werfen von „Antimaterie-Bomben“"

„Im Großen und Ganzen stellen wir Antimaterie her und führen ein Experiment im Stil des Schiefen Turms von Pisa durch“, sagte Votel. Er bezog sich auf einen einfacheren intellektuellen Vorläufer ihrer Experimente – Galileis Experiment aus dem 16. Jahrhundert (vielleicht allegorisch), das zeigte, dass zwei Objekte ähnlicher Größe, aber unterschiedlicher Masse gleichzeitig die gleiche Gravitationsbeschleunigung hatten. „Wir bringen Antimaterie in Bewegung und sehen, ob sie nach oben oder unten geht.“

Im ALPHA-Experiment befindet sich Antiwasserstoffgas in einer hohen zylindrischen Vakuumkammer mit einer variablen Magnetfalle namens ALPHA-g. Die Wissenschaftler reduzierten die Stärke der Magnetfelder an der Ober- und Unterseite der Falle, bis die Antiwasserstoffatome entweichen konnten und die relativ schwachen Gravitationseffekte sichtbar wurden.

Wenn jedes Antiwasserstoffatom der Magnetfalle entkommt, trifft es auf die Hohlraumwand über oder unter der Falle und wird vernichtet, sodass Wissenschaftler es erkennen und zählen können.

Die Forscher wiederholten das Experiment ein Dutzend Mal und variierten dabei die Magnetfeldstärke oben und unten an der Falle, um mögliche Fehler auszuschließen. Sie beobachteten, dass etwa 80 % der Antiwasserstoffatome unter der Falle vernichtet wurden, wenn das geschwächte Magnetfeld oben und unten genau ausgeglichen war – ein Ergebnis, das mit dem Verhalten gewöhnlicher Wasserstoffwolken unter den gleichen Bedingungen übereinstimmt.

Daher führt die Schwerkraft dazu, dass die Antiwasserstoffatome nach unten fallen.

Das Geheimnis der Materie/Antimaterie

Obwohl es nicht viele Quellen für Antimaterie gibt – etwa die Positronen, die beim Zerfall von Kalium entstehen, und sogar Antimaterie in Bananen –, sehen Wissenschaftler nicht viel Antimaterie im Universum. Die Gesetze der Physik sagen jedoch voraus, dass Antimaterie in etwa der gleichen Menge vorhanden sein sollte wie gewöhnliche Materie. Wissenschaftler nennen dieses Rätsel das Wiedergeburtsproblem.

Eine mögliche Erklärung ist, dass Antimaterie während des Urknalls durch die Schwerkraft von gewöhnlicher Materie abgestoßen wurde, aber die neuen Erkenntnisse legen nahe, dass diese Theorie nicht mehr glaubwürdig erscheint.

„Wir haben die Möglichkeit ausgeschlossen, dass Antimaterie eher durch die Gravitation abgestoßen als angezogen wird“, sagte Votel. „Das bedeutet nicht, dass es keinen Unterschied in der Anziehungskraft gibt, die Antimaterie erfährt“, fügte er hinzu. Nur genauere Messungen können dies beweisen.

Forscher der ALPHA-Kollaboration werden weiterhin die Natur von Antiwasserstoff erforschen. Sie verbessern nicht nur die Messung von Gravitationseffekten, sondern untersuchen auch mithilfe der Spektroskopie, wie Antiwasserstoff mit elektromagnetischer Strahlung interagiert.

Es wäre revolutionär, wenn sich Antiwasserstoff in irgendeiner Weise von Wasserstoff unterscheiden würde, denn die physikalischen Gesetze der Quantenmechanik und der Schwerkraft besagen beide, dass sich Antiwasserstoff gleich verhalten sollte. Sie werden es jedoch nur wissen, wenn Sie das Experiment durchführen.