Schon wieder richtig, Einstein! Studie zeigt, wie Antimaterie auf die Schwerkraft reagiert

Im „Star Trek“-Universum schießt das Raumschiff Enterprise mithilfe eines Warpantriebs, der Antimaterie nutzt, durch den Weltraum. Es genügt zu sagen, dass diese Technologie immer noch im Bereich der Science-Fiction liegt.

Doch Wissenschaftler machen wichtige Schritte zu einem besseren Verständnis der Antimaterie. Forscher sagten am Mittwoch, sie hätten zum ersten Mal bewiesen, dass Antimaterie auf die Schwerkraft auf die gleiche Weise reagiert wie Materie – indem sie erwartungsgemäß fällt – in einem Experiment, das erneut die allgemeine Relativitätstheorie des Physikers Albert Einstein bestätigte.

Alle Dinge, die wir kennen – Planeten, Sterne, Pudel, Lutscher – bestehen aus gewöhnlicher Materie.

Antimaterie ist der geheimnisvolle Zwilling der gewöhnlichen Materie mit der gleichen Masse, aber der entgegengesetzten elektrischen Ladung. Fast alle subatomaren Teilchen wie Elektronen und Protonen enthalten ein Gegenstück zur Antimaterie. Während Elektronen negativ geladen sind, sind Antielektronen, auch Positronen genannt, positiv geladen. Während Protonen positiv geladen sind, sind Antiprotonen ebenfalls negativ geladen.

Nach der aktuellen Theorie hätte die Urknallexplosion, die das Universum ins Leben rief, gleiche Mengen an Materie und Antimaterie produzieren sollen. Dies scheint jedoch nicht der Fall zu sein. Es scheint sehr wenig Antimaterie zu geben und auf der Erde fast keine. Darüber hinaus sind Materie und Antimaterie unvereinbar. Bei Berührung explodieren sie, ein Phänomen, das als Vernichtung bezeichnet wird.

Das Experiment wurde am Europäischen Zentrum für Kernforschung (CERN) in der Schweiz von Forschern der internationalen Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA)-Kollaboration durchgeführt. Dazu gehörte das Antiwasserstoffisotop der Materie, das leichteste Element.

„Auf der Erde wird die meiste natürlich vorkommende Antimaterie aus kosmischer Strahlung – energiereichen Teilchen aus dem Weltraum – erzeugt, die mit Atomen in der Luft kollidieren und Antimateriepaare bilden“, sagte der Physiker Jonathan Wortley von der University of California, Berkeley, Co-Autor. Aus der im Magazin veröffentlichten Studie Natur.

Diese neu geschaffene Antimaterie bleibt nur so lange bestehen, bis sie mit einem gewöhnlichen Materieatom in der unteren Atmosphäre kollidiert. Antimaterie kann jedoch unter kontrollierten Bedingungen hergestellt werden, wie im ALPHA-Experiment, bei dem am CERN hergestellter Antiwasserstoff verwendet wurde.

Der Antiwasserstoff befand sich in einer zylindrischen Vakuumkammer und wurde oben und unten von Magnetfeldern eingefangen. Die Forscher reduzierten die Magnetfelder, um die Antimaterie freizusetzen, um zu beobachten, ob sie nach Auftreten des Gravitationseffekts fallen würde oder nicht. Unter den gleichen Bedingungen verhielt es sich wie Wasserstoff.

„Dieses Ergebnis wurde durch Theorie und indirekte Experimente vorhergesagt, die auf verborgenen Phänomenen beruhten. Aber keine Gruppe hat ein direktes Experiment durchgeführt, bei dem Antimaterie einfach fallen gelassen wurde, um zu sehen, in welche Richtung sie fallen würde, sagte Joel Fagans, Physiker an der University of California in Berkeley und Mitautor der Studie.

„Unser Experiment schließt andere Theorien aus, die voraussetzen, dass Antimaterie – ‚Antigravitation‘ – im Gravitationsfeld der Erde aufsteigt“, fügte Wortelli hinzu.

Während Einstein seine Allgemeine Relativitätstheorie – eine umfassende Erklärung der Schwerkraft – vor der Entdeckung der Antimaterie im Jahr 1932 entwickelte, betrachtete er alle Materie als Äquivalenz, was bedeutete, dass Antimaterie auf die gleiche Weise auf Gravitationskräfte reagieren sollte wie Materie.

Was aber, wenn Antimaterie den Erwartungen widerspricht?

„Das wäre eine große Überraschung gewesen, denn es wäre höchst unvereinbar mit vielen Theorien.“ Alpha-Zusammenarbeit.

„Ich denke, das ist ein Beweis für die Kraft der Allgemeinen Relativitätstheorie und ihrer Äquivalenzprinzipien“, fügte Bertschi hinzu.

Wissenschaftler sind immer noch verwirrt über die Knappheit an Antimaterie im beobachtbaren Universum. Beispielsweise gibt es keinen Hinweis darauf, dass Galaxien aus Antimaterie bestehen.

„Das fast vollständige Fehlen natürlich vorkommender Antimaterie ist eine der großen Fragen der Physik“, sagte Wortelli.

Durch den Nachweis, dass Antimaterie und Materie durch Gravitation angezogen werden, schloss das Experiment eine mögliche Erklärung für die Knappheit von Antimaterie aus, nämlich dass sie während des Urknalls Materie durch Gravitation abgestoßen hat.

„Egal wie schön die Theorie ist, Physik ist eine experimentelle Wissenschaft“, sagte Fagans.