Es ist offiziell: Antimaterie fällt nach unten, nicht nach oben.
In einem einzigartigen Experiment ließen Wissenschaftler Antiwasserstoffatome fallen und beobachteten ihren Fall. Dies zeigte, dass die Schwerkraft Antimaterie zur Erde anzieht, anstatt sie abzustoßen.
Die Studie bestätigt eine Säule von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, die als schwaches Äquivalenzprinzip bekannt ist. Nach diesem Prinzip wirkt die Schwerkraft auf jedes Objekt in gleicher Weise, egal woraus es besteht. „Dieses Konzept ist das Herzstück unseres Verständnisses der Gravitation“, sagt der Physiker Ruggero Caravita, der an der neuen Arbeit nicht beteiligt war.
Antimaterie ist das Spiegelbild der Materie und trägt die entgegengesetzte elektrische Ladung, aber die gleiche Masse. Das Antiteilchen eines Elektrons beispielsweise ist ein positiv geladenes Teilchen, das Positron genannt wird. Das Alter Ego eines Protons ist ein negativ geladenes Antiproton und so weiter.
Die meisten Physiker hätten sich nicht ernsthaft mit der Idee beschäftigt, dass Antimaterie nach oben statt nach unten fallen könnte, sagt Jeffrey Hangst von der Universität Aarhus in Dänemark. Aber Wissenschaftler hatten es noch nie zuvor geschafft, es direkt zu testen. „Antimaterie ist irgendwie mysteriös … deshalb wollen wir dieses Verhalten tatsächlich bestätigen“, sagt Hangst, Sprecher der Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA)-Kollaboration, die über das neue Ergebnis berichtete.
Das Team stellte fest, dass die Antimaterie nicht nur wie erwartet abfiel, sondern auch mit ungefähr der gleichen Geschwindigkeit wie normale Materie.
Die Ergebnisse, beschrieben am 28. September Natur, verdeutlichen die wachsende Kontrolle der Wissenschaftler über Antimaterie und insbesondere Antiwasserstoff. Antimaterie ist eine heimtückische Substanz, mit der man schwer arbeiten kann. Wenn es irgendetwas berührt, das aus Materie besteht – die Wände eines Vorratsbehälters oder Luftmoleküle –, vernichtet es sich schnell. Es bedurfte jahrzehntelanger Arbeit, um überhaupt den Einfluss der Schwerkraft auf Antimaterie zu messen, sagt Hangst.
In dem Experiment, das im europäischen Labor CERN in der Nähe von Genf durchgeführt wurde, fingen Wissenschaftler Antiwasserstoffatome mit starken Magnetfeldern ein. Diese Antiwasserstoffatome wurden durch Mischen von am CERN erzeugten Antiprotonen mit Positronen aus einer radioaktiven Quelle hergestellt.
Anschließend lösten die Forscher den Antiwasserstoff aus seinem magnetischen Käfig und zählten, wie viele Atome nach oben bzw. nach unten gingen. Wenn die Schwerkraft Antimaterie und Materie gleich behandelt, sollten die meisten Atome nach unten fallen und einige aufgrund der anfänglichen Stoßbewegungen der Atome nach oben fliegen. Genau das haben die Forscher herausgefunden.
„Es ist ein sehr schönes, sehr nettes und sehr einfaches Konzept“, sagt der theoretische Physiker Yunhua Ding von der Ohio Wesleyan University in Delaware, Ohio, der nicht an der Studie beteiligt war.
Um weiter zu bestätigen, dass sich der Antiwasserstoff wie erwartet verhielt, veränderten die Forscher die Magnetfelder, um Atome nach oben zu drücken und so den Effekt der Schwerkraft aufzuheben. Bei diesem Test bewegten sich etwa gleich viele Atome auf und ab. Auch die weitere Variation der Magnetfelder entsprach den Erwartungen.
Frühere Experimente deuteten bereits darauf hin, dass die Schwerkraft Materie und Antimaterie gleich behandelt. Im Jahr 2022 berichtete das BASE-Experiment, ebenfalls am CERN, dass Schwingungen eingeschlossener Antiprotonen indirekt bestätigten, dass Materie und Antimaterie dem gleichen Anziehungskrafteffekt ausgesetzt sind (SN: 05.01.22). Aber ALPHAs Experiment ist das erste, das den Fall von Antimaterieteilchen direkt beobachtet.
Die Idee, dass verschiedene Arten von Objekten mit der gleichen Beschleunigung fallen, geht weit vor Einstein zurück. Der Legende nach ließ Galilei im 16. Jahrhundert verschiedene Gegenstände vom Schiefen Turm von Pisa fallen, um diesen Effekt zu demonstrieren. Seitdem haben Wissenschaftler es in verschiedenen Situationen getestet, sogar mit Objekten im Orbit um die Erde (SN: 14.09.22). Aber sie hatten den Test mit Antimaterie bisher noch nie durchgeführt.
Obwohl die Physiker nicht damit gerechnet haben, dass die Antimaterie nach oben fällt, haben einige Forscher vorgeschlagen, dass die Antimaterie möglicherweise mit einer etwas anderen Geschwindigkeit herabfällt als normale Materie. „Wenn wir auch nur den kleinsten Unterschied finden, wäre das ein Hinweis darauf, dass etwas Neues passiert“, sagt Caravita vom Nationalen Institut für Kernphysik in Trient, Italien, der Sprecher der AEgIS-Zusammenarbeit am CERN. AEgIS gehört zu einer Reihe von Experimenten, die sich auch mit der Messung der Wirkung der Schwerkraft auf Antimaterie befassen.
Das aktuelle Experiment ist nicht präzise genug, um diese subtilen Unterschiede herauszufinden. Aber neue Techniken, wie das Kühlen von Antiwasserstoffatomen mit Lasern, könnten zukünftige Tests präziser machen (SN: 05.04.21). Dies könnte Wissenschaftlern dabei helfen, zu erkennen, ob die Schwerkraft wirklich agnostisch ist, wenn es um Materie und Antimaterie geht.