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Cern: Antimaterie fällt wie normale Materie nach unten

Reagiert Antimaterie auf Schwerkraft wie normale Materie oder wird sie von ihr abgestoßen? Eine Kollaboration am Cern ist dieser Frage nachgegangen.



Gewöhnliche Materie unterliegt der Schwerkraft: Wird ein Gegenstand losgelassen, fällt er zu Boden. Antimaterie ist das Gegenteil von Materie. Wie reagiert sie auf Schwerkraft? Eine Kollaboration am europäischen Kernforschungszentrum Cern hat das untersucht.

Antiteilchen haben die entgegengesetzte elektrische Ladung der Teilchen, aus denen Materie besteht, und entgegengesetzte Spins. Seit die Antimaterie im Jahr 1932 entdeckt wurde, fragten sich Wissenschaftler, wie sie auf die Schwerkraft reagiert.

Nach Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie müsste ein Anti-Apfel wie ein normaler Apfel zu Boden fallen. Oder wird er stattdessen von der Schwerkraft abgestoßen und fällt nach oben?

Die Alpha-Kollaboration am Cern beobachtete Antiwasserstoffteilchen in einem Vakuum. Dabei verhielten diese sich genauso wie normaler Wasserstoff.

"Wir kommen zu dem Schluss, dass das dynamische Verhalten der Antiwasserstoffatome mit der Existenz einer anziehenden Gravitationskraft zwischen diesen Atomen und der Erde vereinbar ist", resümierte das Team in der Fachzeitschrift Nature. "Folglich können wir die Existenz einer abstoßenden Gravitationskraft der Größe 1g zwischen der Erde und der Antimaterie ausschließen."

Antiteilchen wurden gefangen

Die Versuche wurden an dem 2018 fertiggestellten Experiment Alpha-g durchgeführt, sozusagen eine senkrechte Version des ursprünglichen Alpha-Experiments. Kernstück ist eine Magnetfalle, in der sich im Experiment rund 100 Antiwasserstoffatome befanden. Diese schwirrten mit einer Geschwindigkeit von rund 100 Metern pro Sekunde durch das Vakuum.

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Um ihre Reaktion auf die Schwerkraft zu untersuchen, schaltete das Team über einen Zeitraum von 20 Sekunden den Strom in den oberen und unteren Magneten der Falle schrittweise ab. Dabei zeigte sich, dass nur etwa 20 Prozent des Antiwasserstoffs nach oben aus der Falle entwich.

Die restlichen 80 Prozent der Teilchen gehorchten der Schwerkraft: Sie verließen die Falle nach unten und wurden beim Kontakt mit Materie ausgelöscht. Das Verhalten entspricht weitgehend dem Verhalten einer Wolke von normalen Wasserstoffteilchen.

"In der Physik weiß man etwas erst wirklich, wenn man es beobachtet hat", sagte Jeffrey Hangst, Sprecher der Alpha-Kollboration. "Dies ist das erste direkte Experiment, bei dem tatsächlich ein Gravitationseffekt auf die Bewegung von Antimaterie beobachtet wurde. Es ist ein Meilenstein in der Erforschung der Antimaterie, die uns aufgrund ihrer offenkundigen Abwesenheit im Universum immer noch Rätsel aufgibt."

Nach dem Standardmodell der Physik sind Materie und Antimaterie symmetrisch, sollten also die gleichen physikalischen Eigenschaften haben. Cern-Forscher konnten bereits nachweisen, dass Wasserstoff und Antiwasserstoff eine identische Masse sowie die gleichen optischen Eigenschaften haben.

Dennoch muss es eine Asymmetrie geben: Eigentlich müssten beim Urknall die Teilchensorten zu gleichen Anteilen entstanden sein. Treffen Materie und Antimaterie aufeinander, löschen sie sich jedoch gegenseitig aus. Das ist aber nicht geschehen, sondern das Universum ist entstanden. Worin die Asymmetrie besteht, ist jedoch bisher ungeklärt.

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