Gravitationstheorie: Strahl exotischer Atome stellt Gravitation auf die Probe
Ein Forschungsteam der ETH Zürich(öffnet im neuen Fenster) und des Paul-Scherrer-Instituts in der Schweiz hat eine Methode entwickelt, um die als universell angenommene Gravitationskraft zu untersuchen. Für die bekannte Materie gilt, dass am gleichen Punkt im Gravitationsfeld auf jedes Teilchen die gleiche Gravitationskraft wirkt. Das konnte bereits Galileo Galilei im 16. Jahrhundert nachweisen.
Es existiert jedoch exotische Materie, sogenannte Elementarteilchen der zweiten und dritten Generation. Für Experimente zur Überprüfung der Gravitation und allgemein von fundamentalen Wechselwirkungen eignen sich das Myon und sein Antiteilchen besonders.
So ergibt die Kombination aus einem Antimyon und einem Elektron Myonium. Das Atom entspricht Wasserstoff, in dem das Proton im Kern durch das Antimyon ersetzt wurde. Ein Strahl dieser exotischen Atome könnte von der Schwerkraft genauso beeinflusst werden wie gewöhnliche Materie. Oder die Gravitation wirkt anders. "Dies wäre tatsächlich überraschend, und neben anderen Theorien könnte dies auf die Existenz einer fünften Kraft hindeuten", beschreibt Studienleiterin Anna Soter die Motivation zu dem Experiment.
Quantenflüssigkeit macht Experiment möglich
Dass ein solcher Versuch, der das Verständnis für die Gravitationskraft verändern könnte, bisher nicht stattgefunden hat, liegt an der Flüchtigkeit der Myonen und der daraus erzeugten Atome. Die Lebenszeit der exotischen Teilchen beträgt 2,2 Mikrosekunden.
Hinzu kommt, dass sie nach der Erzeugung im Teilchenbeschleuniger, in der Regel durch den Beschuss eines Targets mit Protonen, in alle Raumrichtungen gestreut werden. Erst ein kontrollierter Strahl erlaubt das Experiment, in dem der Einfluss der Erdanziehung auf ein Interferenzmuster gemessen wird.
Dafür wird supraflüssiges Helium eingesetzt. Nah am absoluten Nullpunkt wird aus dem Helium ein Bose-Einstein-Kondensat, in welchem alle Atome sich im gleichen Grundzustand befinden und sich wie ein homogenes Objekt verhalten. Ein fremdes Teilchen wird augenblicklich aus dieser Quantenflüssigkeit hinauskatapultiert.
Werden Antimyonen damit in Kontakt gebracht, sammeln sie unterwegs ein Elektron ein, werden also zu Myonium und verlassen das supraflüssige Helium senkrecht zu dessen Oberfläche. Der resultierende Strahl erlaubt erstmals, die Gravitation an exotischer Materie zu beobachten.
Noch fehlt ein Teil des Aufbaus
Derzeit baut das Forschungsteam die Apparatur, an der der Strahl aus Myoniumatomen gebeugt werden soll. Die Hoffnung ist, dass in zwei Jahren das Gravitationsexperiment durchgeführt wird.
Dann werden sich exotische Teilchen entweder genauso verhalten wie die übrige Materie auch oder man findet neben der Gravitation, dem Elektromagnetismus sowie der schwachen und der starken Wechselwirkung, welche die Atome zusammenhalten, noch eine fünfte, bisher unbekannte Kraft.
Die Studie, die die Erzeugung des Myoniumstrahls beschreibt, wurde in Nature Physics(öffnet im neuen Fenster) veröffentlicht.
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