Die Richtung, in die Antimaterie fällt

17.11.2018

Aus dem Physikunterricht wissen wir, dass ein Hammer und die leichteste Feder im Vakuum gleichzeitig an die Oberfläche fallen. Dies wurde von den amerikanischen Astronauten der Apollo-15-Mission deutlich demonstriert, und nun planen Wissenschaftler der europäischen Organisation für Kernforschung CERN, diesem einfachen Experiment ein exotisches Element hinzuzufügen, sie werden Antimaterie-Teilchen in eine Vakuumkammer "werfen" und beobachten die Wirkung der Gravitationskräfte auf sie. Und es ist durchaus möglich, dass Antimaterie aufgrund ihrer Anti-Natur "herunterfällt".

In unserer Welt hat jedes Elementarteilchen ein Paar, das ihm in allen Parametern entspricht, mit Ausnahme der entgegengesetzten elektrischen Ladung. Wenn ein gewöhnliches Teilchen und ein Antiteilchen im Weltraum kollidieren, heben sie sich gegenseitig auf und werden zu reiner Energie. Eine solche Eigenschaft von Antimaterie macht es natürlich schwierig, sie zu erhalten, zu lagern und zu untersuchen. Im Jahr 2010 konnten CERN-Wissenschaftler Antimaterie magnetisch einfangen und untersuchen, obwohl die Speicherzeit für Antimaterie nur einen Bruchteil einer Sekunde betrug. Aber schon im nächsten Jahr wurde die Verweilzeit von Antimaterie in einer Falle auf 16 Minuten erhöht.

Existierende physikalische Theorien sagen voraus, dass Gravitationskräfte auf Antimaterie genauso wirken sollten wie auf normale Materie. Aber diese Annahme muss in der Praxis getestet werden, denn selbst kleine Abweichungen der Theorie von der Praxis können große Änderungen am bestehenden Standardmodell der Teilchenphysik bewirken. Als Teil solcher „Verifizierungs“-Experimente untersuchte eine Gruppe von CERN-Wissenschaftlern vor einigen Jahren das optische Spektrum von Antiwasserstoff und stellte fest, dass dieses Spektrum absolut identisch mit dem Spektrum von normalem Wasserstoff ist.

Eine weitere grundlegende Frage ist, wie Antimaterie auf die Schwerkraft reagiert. Nach der Theorie sollten Antimaterieteilchen in einem Gravitationsfeld auf die gleiche Weise fallen wie Teilchen gewöhnlicher Materie. Aber es besteht eine Wahrscheinlichkeit von eins zu einer Million, dass Antimaterieteilchen in die entgegengesetzte Richtung fallen. Und dies kann nur erkannt werden, indem Antimaterie aus der "Umarmung" der elektromagnetischen Falle, die sie hält, freigesetzt wird.

Das Problem von Antimaterie und Gravitation wird in zwei Experimenten untersucht, in denen unmittelbar nach dem Empfang von Antimaterieteilchen die magnetischen Fallen, die sie halten, ausgeschaltet werden. Und sensible Sensoren registrieren Energiestöße und deren exakte Position. Basierend auf den erhaltenen Daten werden die Wissenschaftler die Bewegungsbahn von Antimaterie-Partikeln berechnen und die Größe der Auswirkungen der Auswirkungen der Gravitationskräfte auf sie messen.

Der Hauptunterschied zwischen den beiden Experimenten besteht in der Methode zur Gewinnung von Antimaterie und ihrer Vorbereitung, um sie in den freien Fall zu werfen. Das erste der Experimente, ALPHA-g, baut auf der bereits vorhandenen Hardware des ALPHA-Experiments auf, die es Wissenschaftlern ermöglicht, Antimaterie zu erzeugen und einzufangen. Antiprotonen werden mit dem Antiproton Decelerator (AD) erzeugt und mit Positronen kombiniert, um neutrale Antiwasserstoffatome zu erzeugen. Es ist die neutrale Natur von Antiwasserstoffatomen, die es ermöglicht, den Einfluss anderer Kräfte auf sie zu vermeiden und den Einfluss von Gravitationskräften genau zu messen.

Das zweite Experiment, GBAR, nimmt Antiprotonen aus dem ELENA-Moderator und kombiniert sie mit Positronen aus einem kleinen Linearbeschleuniger. Antiprotonen (Antiwasserstoffionen) werden auf 10 Mikrokelvin abgekühlt und mit Hilfe von Laserlicht in neutrale Atome umgewandelt. Die dabei entstehenden Antiatome fallen in eine präparierte Falle, wo sie weiter untersucht werden.

Leider dauern diese Experimente sehr lange, bis sie abgeschlossen sind. Und die Situation wird durch die Tatsache verschlimmert, dass die CERN-Beschleuniger in wenigen Wochen wieder für zwei Jahre geschlossen werden, in denen sie radikal aufgerüstet werden, was zur Umwandlung des derzeitigen Large Hadron Collider in eine Anlage der nächsten Generation führen wird. der Large Hadron Collider mit hoher Helligkeit (High-Luminosity Large Hadron Collider, HL-LHC). Die Wissenschaftler der GBAR- und ALPHA-g-Experimente gehen jedoch davon aus, dass die verbleibende Zeit ausreichen sollte, um den experimentellen Teil der Forschung durchzuführen, und dass die dabei gesammelten Daten etwas später verarbeitet werden können.

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