Physiker präsentieren den ersten direkten Beweis dafür, wie Atome der Antimaterie mit der Schwerkraft interagieren
Die Atome, aus denen gewöhnliche Materie besteht, fallen herunter. Fallen Antimaterie-Atome heraus? Erleben sie die Schwerkraft wie gewöhnliche Atome oder gibt es so etwas wie die Antigravitation?
Diese Fragen haben Physiker schon lange fasziniert, sagt Joel Fajans vom Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des US-Energieministeriums, denn „in dem unwahrscheinlichen Fall, dass die Antimaterie nach oben fällt, müssten wir unsere Sicht der Physik grundlegend überarbeiten und überdenken, wie das Universum funktioniert. "
Bisher sind alle Beweise, dass die Schwerkraft für Materie und Antimaterie gleich ist, indirekt, so Fajans und sein Kollege Jonathan Wurtele, beide Mitarbeiter der Abteilung für Beschleuniger- und Fusionsforschung von Berkeley Lab und Professor für Physik an der University of California in Berkeley - as sowie führende Mitglieder des internationalen ALPHA-Experiments des CERN - beschlossen, ihre laufende Antiwasserstoff-Forschung zu nutzen, um die Frage direkt anzugehen.Wenn die Wechselwirkung der Schwerkraft mit den Antiatomen unerwartet stark ist, wird ihnen klar, dass die Anomalie in den vorhandenen Daten von ALPHA zu 434 Antiatomen erkennbar ist.
Teilchenspuren in einer Wolkenkammer. Bildnachweis: Physics Central
Die ersten Ergebnisse, die das Verhältnis der unbekannten Schwerkraftmasse von Antiwasserstoff zu seiner bekannten Trägheitsmasse maßen, konnten die Angelegenheit nicht klären. Weit davon entfernt. Wenn ein Antiwasserstoffatom nach unten fällt, ist seine Gravitationsmasse nicht mehr als 110-mal größer als seine Trägheitsmasse. Wenn es nach oben fällt, ist seine Gravitationsmasse höchstens 65-mal größer.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Messung der Antimaterie-Schwerkraft mit einer experimentellen Methode möglich ist, die in Zukunft auf eine viel höhere Präzision hinweist. Sie beschreiben ihre Technik in der Ausgabe Nature Communications vom 30. April 2013.
Wie man ein fallendes Anti-Atom misst
ALPHA erzeugt Antiwasserstoffatome, indem es einzelne Antiprotonen mit einzelnen Positronen (Antielektronen) verbindet und sie in einer starken Magnetfalle hält. Wenn die Magnete ausgeschaltet werden, berühren die Anti-Atome bald die gewöhnliche Materie der Wände der Falle und zerstören sich in Energieblitzen, um genau zu bestimmen, wann und wo sie auftreffen. Wenn die Experimentatoren die genaue Position und Geschwindigkeit eines Anti-Atoms beim Ausschalten der Falle wüssten, müssten sie im Prinzip nur messen, wie lange es dauert, bis es auf die Wand fällt.
Die Magnetfelder von ALPHA werden jedoch nicht sofort ausgeschaltet. Fast 30 Tausendstelsekunden vergehen, bevor die Felder auf nahe Null abfallen. In der Zwischenzeit treten überall an den Fallenwänden zu bestimmten Zeiten und Orten Blitze auf, die von den detaillierten, aber unbekannten Anfangsorten, Geschwindigkeiten und Energien der Anti-Atome abhängen.
Wurtele sagt: "Spät entweichende Teilchen haben eine sehr geringe Energie, so dass der Einfluss der Schwerkraft auf sie deutlicher wird. Aber es gab nur sehr wenige spät entkommende Antiatome; nur 23 der 434 flohen, nachdem das Feld für 20 Tausendstelsekunden ausgeschaltet worden war. “
Wissenschaftler des Berkeley Lab und der UC Berkeley haben Daten aus dem ALPHA-Experiment am CERN verwendet, um die Schwerkraft der Antimaterie direkt zu messen. lustration von Chukman So
Fajans und Wurtele arbeiteten mit ihren ALPHA-Kollegen und mit Mitarbeitern des Berkeley Lab, dem Dozenten Andrew Charman von UC Berkeley und dem Postdoc Andre Zhmoginov, zusammen, um Simulationen mit ihren Daten zu vergleichen und die Auswirkungen der Schwerkraft von denen der Magnetfeldstärke und der Teilchenenergie zu trennen. Viel statistische Unsicherheit blieb bestehen.
„Gibt es so etwas wie Antigravitation? Aufgrund der bisherigen Tests im freien Fall können wir weder Ja noch Nein sagen “, sagt Fajans. "Dies ist das erste Wort, aber nicht das letzte."
ALPHA wird auf ALPHA-2 aufgerüstet, und Präzisionstests können in ein bis fünf Jahren durchgeführt werden. Die Anti-Atome werden lasergekühlt, um ihre Energie zu reduzieren, während sie sich noch in der Falle befinden, und die Magnetfelder klingen langsamer ab, wenn die Falle ausgeschaltet wird, was die Anzahl der Ereignisse mit niedriger Energie erhöht. Fragen, über die sich Physiker und Nicht-Physiker seit mehr als 50 Jahren Gedanken machen, werden nicht nur direkten, sondern auch definitiven Tests unterzogen.
Anmerkungen
Wenn die Antimaterie nach oben fällt, kann dies kosmologische Beobachtungen erklären, ohne auf Dunkle Materie oder Dunkle Energie zurückzugreifen, die als existent angesehen werden, da experimentelle Beobachtungen im Rahmen herkömmlicher Theorien des Universums erklärt werden können. Aber was ist, wenn diese Theorien falsch sind? Ein kleiner, aber stetiger Strom von Artikeln diskutiert diese Möglichkeit und ist Teil der Motivation zu untersuchen, wie sich die Schwerkraft für Antimaterie verhält.
Gravitationsmasse und Trägheitsmasse (Widerstand gegen Beschleunigung) werden als identisch angesehen, eine Annahme, die als Prinzip der schwachen Äquivalenz bekannt ist. Bisher gibt es keine direkten experimentellen Beweise für das Gegenteil. Seit Jahren wird immer wieder darüber spekuliert, dass Antimaterie anders sein könnte. Zwar gibt es viele indirekte Hinweise darauf, dass das Prinzip der schwachen Äquivalenz auch für Antimaterie gilt, es hat jedoch nie einen direkten Test gegeben, dh einen Test im freien Fall.
Via Berkeley Lab