Eine Waage für Antimaterie

 Frage gestellt, aber nicht beantwortet: Hat normaler Wasserstoff (hinten) das gleiche Gewicht wie Antiwasserstoff? Bild: Chukman So, UC Berkeley
Frage gestellt, aber nicht beantwortet: Hat normaler Wasserstoff (hinten) das gleiche Gewicht wie Antiwasserstoff? Bild: Chukman So, UC Berkeley
Was passiert, wenn man normale Materie fallenlässt? Ganz klar: Sie stürzt, zumindest hier auf der Erde, nach unten. Und was passiert, wenn man das Gleiche mit Antimaterie macht? Die Antwort auf diese Frage ist bisher unbekannt. Es ist zwar wahrscheinlich, dass sich die Antiteilchen ebenfalls in Richtung Erdboden bewegen – schließlich verhalten sich Materie und Antimaterie auch sonst in vielen Belangen gleich. Es ist jedoch auch nicht ausgeschlossen, dass sie sozusagen nach oben fallen und damit quasi entgegengesetzt auf die Schwerkraft reagieren. Jetzt haben Wissenschaftler vom CERN und der University of Berkeley erstmals eine Möglichkeit gefunden, das zu testen – die Ergebnisse lassen allerdings noch sehr zu wünschen übrig.
Antimaterie hat eine unangenehme Eigenschaft: Sobald sie auf normale Materie trifft, kommt es zur Annihilation – beide Teilchen löschen sich gegenseitig aus und setzen dabei Energie frei. Antiteilchen zu untersuchen, war daher lange Zeit nicht oder nur sehr schwer möglich. Erst Ende 2010 gelang es im CERN in Genf im Rahmen des ALPHA-Projektes erstmals, einige Antiwasserstoff-Atome in einem komplexen System aus Magnetfeldern einzufangen und sie für Sekundenbruchteile dort zu halten. Ein halbes Jahr später hatte das internationale Wissenschaftlerteam das System dann soweit verfeinert, dass es einige hundert Antiwasserstoff-Atome für etwa eine Viertelstunde festhalten konnte.

Von träger und schwerer Masse

Die exakt 434 Teilchen, die die Forscher aus Antiprotonen und Positronen – also Antielektronen – erzeugt hatten, bildeten auch die Basis für die aktuelle Untersuchung. Ziel war es, zu bestimmen, ob auch bei Antimaterie das schwache Äquivalenzprinzip gilt, nach dem die sogenannte schwere Masse der trägen Masse entspricht. Die schwere Masse ist dabei ein Maß dafür, wie die Gravitation auf einen Körper oder ein Teilchen einwirkt, während die träge Masse angibt, wie stark sich das Objekt einer Beschleunigung widersetzt. Bei normaler Materie liegt das Verhältnis der beiden, wie erwähnt, bei 1. Bei Antimaterie ist es bisher unbekannt. Zwar gilt es als sicher, dass deren träge Masse exakt der normaler Materie entspricht, die schwere Masse eines Antiteilchens ist jedoch bisher noch nie direkt bestimmt worden.

Sollte Antimaterie nun tatsächlich anders auf die Schwerkraft reagieren als normale Materie, müsste das eigentlich aus den vielen Daten hervorgehen, die während des ALPHA-Experiments im Jahr 2011 gesammelt worden waren, so die Überlegung der Forscher. Sie werteten also besagte Daten aus und konzentrierten sich vor allem darauf, wo die Annihilationsreaktionen im Reaktor stattfanden, nachdem das Magnetfeldsystem ausgeschaltet wurde. Kennt man die Position und die Geschwindigkeit, die die Teilchen im Moment des Abschaltens innehatten, sollte sich daraus leicht berechnen lassen, ob sie sich anschließend eher nach oben oder eher nach unten bewegt haben. So die Theorie.

Unerwartete Probleme

In der Praxis stießen die Wissenschaftler allerdings auf einen ganzen Haufen Probleme. So lassen sich beispielsweise die Magnetfelder der Fallen nicht einfach von jetzt auf gleich abschalten – sie brauchen einige Millisekunden, um vollständig herunterzufahren. In dieser Zeit gibt es jedoch viele unkontrollierte Annihilationsreaktionen, die nicht oder nur sehr begrenzt auswertbar sind. Die besten Ergebnisse erhielten die Forscher bei den Antimaterie-Teilchen, die erst sehr spät der Falle entkamen und nur noch eine geringe Energie aufwiesen: Bei ihnen war der Einfluss der Schwerkraft am stärksten zu erkennen. Doch auch hier gab es ein Problem: Von den 434 Antiwasserstoff-Atomen waren nur 23 für die Messung brauchbar – viel zu wenig, um belastbare Ergebnisse zu erhalten, stellen die Forscher enttäuscht fest.

Die Gesamtauswertung zeigte dann auch: Es lassen sich bisher keinerlei Aussagen dazu machen, ob die Teilchen nun nach oben oder nach unten fallen. Sagen können die Forscher bisher nur, dass das Verhältnis von schwerer zu träger Masse nicht größer als 110 und nicht kleiner als minus 65 sein kann – das ist Welten von der Genauigkeit entfernt, die es bräuchte, um anzugeben, ob der Wert nun exakt bei eins liegt oder nicht.

In wenigen Jahren wissen wir mehr

Trotzdem sind die Wissenschaftler zuversichtlich, dass ihr Messprinzip grundsätzlich funktioniert. Im Moment sei man dabei, das ALPHA-Experiment zu erweitern und zu verbessern, geben sie an. Dabei gibt es beispielsweise einen zusätzlichen Kühlschritt per Laser, der dazu dienen soll, mehr Antiteilchen in den energiearmen Zustand zu überführen, in dem sie sich am besten vermessen lassen. Zudem soll die Abschaltung des Magnetfeldsystems besser steuerbar werde. Ein langsameres Absinken der Feldstärke könnte dann ebenfalls helfen, mehr energiearme Teilchen zu erzeugen. Mit neuen Ergebnissen könne daher in einem bis fünf Jahren gerechnet werden, prognostiziert das Team.
The ALPHA-Collaboration (CERN, Genf): Nature Communications, doi: 10.1038/ncomms2787

© wissenschaft.de – Ilka Lehnen-Beyel


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