Materie is subject to gravitational attraction. Einstein’s general relativity had predicted that antimatter also should fall to Earth in the same way. However, there was no direct experimental evidence so far to show that. ALPHA experiment at CERN is the first direct experiment to have observed the effect of Schwerkraft on the motion of antimatter. The findings ruled out repulsive ‘antigravity’ and held that Schwerkraft Materie and antimatter in a similar way. It was observed that atoms of antihydrogen (a positron umkreisen an antiproton) fell to Earth in the same way as atoms of hydrogen.
Antimatter is composed of antiparticles (positrons, antiprotons and antineutrons are antiparticles of electrons, protons and neutrons). Materie and antimatter annihilate each other completely when they come in contact leaving behind energy.
Materie and antimatter were created in equal amounts in the early Universum von Big Bang. Allerdings finden wir derzeit keine Antimaterie in der Natur (Materie-Antimaterie-Asymmetrie). Die Materie dominiert. Daher ist das Verständnis der Eigenschaften und des Verhaltens von Antimaterie unvollständig. Bezüglich der Wirkung der Schwerkraft auf die Bewegung der Antimaterie hatte die allgemeine Relativitätstheorie vorhergesagt, dass Antimaterie ebenfalls auf ähnliche Weise beeinflusst werden sollte, es gab jedoch keine direkte experimentelle Beobachtung, die dies bestätigte. Einige hatten sogar argumentiert, dass im Gegensatz zur Materie (die der Anziehungskraft unterliegt) Antimaterie könnte einer abstoßenden „Antigravitation“ ausgesetzt sein, was durch die kürzlich veröffentlichten Ergebnisse des ALPHA-Experiments des CERN ausgeschlossen wurde.
Der erste Schritt bestand darin, Anti-Atome im Labor herzustellen und sie zu kontrollieren, um zu vermeiden, dass sie auf Materie treffen und sich vernichten. Es mag einfach klingen, aber dafür hat es über drei Jahrzehnte gedauert. Die Forscher konzentrierten sich auf Antiwasserstoffatome als ideales System zur Untersuchung des Gravitationsverhaltens von Antimaterie, da Antiwasserstoffatome elektrisch neutrale und stabile Antimaterieteilchen sind. Das Forschungsteam nahm im Labor hergestellte negativ geladene Antiprotonen und verband sie mit positiv geladenen Positronen aus einer Natrium-22-Quelle, um Antiwasserstoffatome zu erzeugen, die anschließend in einer Magnetfalle eingeschlossen wurden, um eine Vernichtung mit Materieatomen zu verhindern. Die Magnetfalle wurde ausgeschaltet, um Antiwasserstoffatomen ein kontrolliertes Entweichen in einer vertikalen Apparatur ALPHA-g zu ermöglichen, und es wurden die vertikalen Positionen gemessen, an denen die Antiwasserstoffatome mit Materie vernichten. Die Forscher fingen Gruppen von etwa 100 Antiwasserstoffatomen ein. Sie setzten über einen Zeitraum von 20 Sekunden langsam Antiatome einer Gruppe frei, indem sie den Strom in den oberen und unteren Magneten reduzierten. Sie fanden heraus, dass der Anteil der durch die Ober- und Unterseite vorhandenen Antiatome mit den Ergebnissen für Atome aus Simulationen übereinstimmte. Es wurde auch festgestellt, dass die Beschleunigung eines Antiwasserstoffatoms mit der bekannten Beschleunigung aufgrund von übereinstimmt Schwerkraft zwischen Materie und Erde, was darauf hindeutet, dass Antimaterie der gleichen Anziehungskraft unterliegt wie Materie und nicht einer abstoßenden „Antigravitation“.
Dieser Befund ist ein Meilenstein in der Erforschung des Gravitationsverhaltens von Antimaterie.
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Quellen:
- CERN 2023. News – ALPHA-Experiment am CERN beobachtet den Einfluss der Schwerkraft auf Antimaterie. Veröffentlicht am 27. September 2023. Verfügbar unter https://www.home.cern/news/news/physics/alpha-experiment-cern-observes-influence-gravity-antimatter Abgerufen am 27. September 2023.
- Anderson, EK, Baker, CJ, Bertsche, W. et al. Beobachtung der Wirkung der Schwerkraft auf die Bewegung der Antimaterie. Natur 621, 716–722 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06527-1
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