Forscher stellen Einstein mit sehr seltsamen Teilchen auf die Probe
Forscher der ETH Zürich und des Paul Scherrer Instituts (PSI) haben einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu einem Experiment gemacht, das eine grundlegende Frage der Physik klären soll: Wirkt die Schwerkraft auf alle Teilchen gleich?
Myonen gehören zur zweiten Generation der Elementarteilchen und sind deutlich schwerer als Elektronen. Beide Teilchen besitzen dieselbe elektrische Ladung, unterscheiden sich aber stark in ihrer Masse. Die bekannte Materie besteht überwiegend aus Teilchen der ersten Generation, also Elektronen sowie Protonen und Neutronen. Warum es überhaupt zwei weitere, schwerere Generationen gibt, ist bislang ungeklärt.
Für das geplante Experiment nutzen die Forscher Myonium. Dabei verbindet sich ein positiv geladenes Antimyon mit einem Elektron zu einem elektrisch neutralen Atom. Diese Eigenschaft ist entscheidend, weil die Wirkung der vergleichsweise schwachen Gravitation bei geladenen Teilchen durch elektromagnetische Störfelder überlagert werden könnte.
Eine große Herausforderung ist die extrem kurze Lebensdauer der Myonen. Sie zerfallen bereits nach durchschnittlich 2,2 Mikrosekunden. Außerdem waren bisher erzeugte Myonium-Atome mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in verschiedene Richtungen unterwegs. Für eine präzise Messung der Gravitation wären sie damit ungeeignet.
Für die eigentliche Messung entwickeln die Forscher nun ein Atominterferometer. Es nutzt die Welleneigenschaften des Myoniumstrahls. Die Erdanziehung soll das entstehende Interferenzmuster minimal verschieben. Aus dieser Verschiebung lässt sich die Stärke der gravitativen Wirkung bestimmen.
Erste Tests mit dem neuen Atomstrahl sollen noch in diesem Jahr beginnen. Verläuft die Entwicklung wie geplant, könnte das eigentliche Gravitationsexperiment in zwei bis drei Jahren folgen. Ein abweichendes Ergebnis wäre von großer Bedeutung: Es könnte unter anderem Hinweise auf eine bislang unbekannte fünfte fundamentale Kraft liefern. Primäres Ziel der Forscher ist jedoch zunächst eine direkte Messung, ob das Äquivalenzprinzip auch für Teilchen der zweiten Generation gilt.
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Anziehung auf kleinste Objekte
Die Wissenschaftler wollen erstmals direkt messen, wie ein Myon auf die Erdanziehung reagiert. Dafür haben sie eine neuartige Quelle für besonders gleichförmig bewegte Myonium-Atome entwickelt.Myonen gehören zur zweiten Generation der Elementarteilchen und sind deutlich schwerer als Elektronen. Beide Teilchen besitzen dieselbe elektrische Ladung, unterscheiden sich aber stark in ihrer Masse. Die bekannte Materie besteht überwiegend aus Teilchen der ersten Generation, also Elektronen sowie Protonen und Neutronen. Warum es überhaupt zwei weitere, schwerere Generationen gibt, ist bislang ungeklärt.
Für das geplante Experiment nutzen die Forscher Myonium. Dabei verbindet sich ein positiv geladenes Antimyon mit einem Elektron zu einem elektrisch neutralen Atom. Diese Eigenschaft ist entscheidend, weil die Wirkung der vergleichsweise schwachen Gravitation bei geladenen Teilchen durch elektromagnetische Störfelder überlagert werden könnte.
Eine große Herausforderung ist die extrem kurze Lebensdauer der Myonen. Sie zerfallen bereits nach durchschnittlich 2,2 Mikrosekunden. Außerdem waren bisher erzeugte Myonium-Atome mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in verschiedene Richtungen unterwegs. Für eine präzise Messung der Gravitation wären sie damit ungeeignet.
Ordnung ins Chaos
Das neue Verfahren soll dieses Problem nun lösen. Die Wissenschaftler schießen am PSI erzeugte Antimyonen in eine dünne Schicht aus superfluidem Helium, das auf Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts abgekühlt wird. Treffen die Antimyonen dort auf Elektronen, entstehen Myonium-Atome, die aus der Flüssigkeit herausgedrängt werden. An deren Oberfläche wird die chemische Energie in Bewegungsenergie umgewandelt. Dadurch verlassen die Atome das Helium nahezu parallel und mit ähnlichen Geschwindigkeiten.Für die eigentliche Messung entwickeln die Forscher nun ein Atominterferometer. Es nutzt die Welleneigenschaften des Myoniumstrahls. Die Erdanziehung soll das entstehende Interferenzmuster minimal verschieben. Aus dieser Verschiebung lässt sich die Stärke der gravitativen Wirkung bestimmen.
Erste Tests mit dem neuen Atomstrahl sollen noch in diesem Jahr beginnen. Verläuft die Entwicklung wie geplant, könnte das eigentliche Gravitationsexperiment in zwei bis drei Jahren folgen. Ein abweichendes Ergebnis wäre von großer Bedeutung: Es könnte unter anderem Hinweise auf eine bislang unbekannte fünfte fundamentale Kraft liefern. Primäres Ziel der Forscher ist jedoch zunächst eine direkte Messung, ob das Äquivalenzprinzip auch für Teilchen der zweiten Generation gilt.
Zusammenfassung
- Forscher wollen erstmals die Erdanziehung an Myonen direkt messen
- Dafür wurde eine neue Quelle für gleichförmige Myonium-Atome gebaut
- Das neutrale Myonium verhindert Störungen durch elektrische Felder
- Superfluides Helium sorgt für parallele Flugbahnen der neuen Atome
- Ein spezielles Atominterferometer soll die winzigen Effekte messen
- Die Messung prüft das Äquivalenzprinzip für die zweite Generation
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