- Schweizer Forschende haben erfolgreich einen Strahl aus kalten Atomen erzeugt und planen, damit die Einsteinsche Gravitationstheorie zu testen.
- Myonium besteht aus Teilchen der zweiten Generation; die Forschenden wollen messen, wie es unter dem Einfluss der Schwerkraft fällt.
- Eine experimentelle Hürde ist der schnelle Zerfall des Myoniums; zur Erzeugung eines stabilen Myonium-Atomstroms wird eine Quantenflüssigkeit eingesetzt.
- Die Forschenden planen den Bau eines Interferometers, um den Einfluss der Gravitation auf Myonium zu untersuchen – mögliche Hinweise auf eine fünfte Naturkraft.
Forschende der ETH Zürich und des Paul Scherrer Instituts (PSI) in Villigen haben erfolgreich einen intensiven Strahl aus kalten Atomen erzeugt, mit dem die Einsteinsche Gravitationstheorie überprüft werden soll. Der Strahl besteht aus Myonium – einem Atom aus einem Antimyon und einem Elektron, also einem Teilchen der zweiten Generation. Die Forschenden wollen testen, wie es mit der Schwerkraft wechselwirkt, um herauszufinden, ob es weitere, bislang unentdeckte Naturkräfte gibt. Die uns umgebende Materie besteht aus Protonen, Neutronen und Elektronen, die Wissenschaftler als Teilchen der ersten Generation bezeichnen.
Eigenschaften des Myoniums und experimentelle Herausforderungen
Die übrigen beiden Generationen von Teilchen sind schwerer, aber ebenfalls instabil und zerfallen rasch in Teilchen der ersten Generation. Myonium ist ein schwerer Verwandter des Elektrons aus der zweiten Generation. Forschende des PSI erzeugten mithilfe eines Teilchenbeschleunigers erfolgreich Myonen sowie deren Antiteilchen. Trifft ein solches Antimyon auf ein Elektron, entsteht ein neutrales Myonium-Atom. Die Forschenden wollen messen, wie ein Myonium-Atom unter dem Einfluss der Schwerkraft fällt.
Von Galileo über Newton bis Einstein haben Physiker die Universalität des freien Falls bestätigt. Dieses Äquivalenzprinzip besagt, dass alle Körper im Gravitationsfeld – unabhängig von ihrer Masse oder inneren Beschaffenheit – mit derselben Beschleunigung fallen. Einstein betrachtete dieses Prinzip als eine zentrale Säule seiner berühmten Relativitätstheorie, doch bislang wurde es nur an Teilchen und Antiteilchen der ersten Generation getestet. Eine Messung an Myonium wäre die erste Überprüfung an einem Teilchen der zweiten Generation. Myonium eignet sich besonders gut für dieses Experiment, da es elektrisch neutral ist. Geladene Teilchen hingegen können durch Streufelder beeinflusst werden, was den schwachen Gravitationseffekt überdecken würde.
Geplante weitere Experimente
Eine wesentliche Hürde für ein solches Experiment ist der schnelle Zerfall des Myoniums. Da es innerhalb von 2,2 Mikrosekunden zerfällt, bewegten sich früher erzeugte Myonium-Atome zudem mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, was die Durchführung des Experiments erschwerte. Forschende des PSI nutzten eine Quantenflüssigkeit, um einen stabilen Strom von Myonium-Atomen zu erzeugen. Jessie Zhang, Forschende am PSI, erläuterte in einer Pressemitteilung: „Wir haben suprafluides Helium eingesetzt, das sich nahe am absoluten Nullpunkt befindet (minus 273 Grad Celsius)." Suprafluides Helium ist eine Quantenflüssigkeit, in der die einzelnen Heliumatome ihre Individualität verlieren und Verunreizungen im Inneren nicht mögen. Die im Teilchenbeschleuniger des PSI erzeugten Antimyonen werden in die Quantenflüssigkeit geschossen, treffen dort auf freie Elektronen und bilden Myonium-Atome.
Bei dieser Reaktion entsteht ein positives chemisches Potential, das die Myonium-Atome zur Oberfläche drängt; das chemische Potential wandelt sich in kinetische Energie um und schießt sie senkrecht aus der Flüssigkeit heraus.
Die Forschenden planen nun den Bau eines Interferometers, das mithilfe der Welleneigenschaften von Myonium-Atomen ein Interferenzmuster erzeugen soll, um den Einfluss der Schwerkraft auf Myonium zu untersuchen. Der Aufbau dürfte zwei bis drei Jahre in Anspruch nehmen; ist er jedoch erst einmal einsatzbereit, soll er eine lange offene, wesentliche Frage beantworten: Wirkt die Gravitation auf „exotische" Materie anders? Sollte dies tatsächlich der Fall sein, würde dies auf die Existenz einer fünften Naturkraft hindeuten. Derzeit konzentriert sich das Team darauf, festzustellen, ob das Äquivalenzprinzip auch für Teilchen der zweiten Generation gilt. Die Ergebnisse wurden im Fachblatt „Nature Physics" veröffentlicht.
Perspektiven und Herausforderungen bei der Überprüfung der Gravitationstheorie
Die Forschung mit Strahlen aus kalten Atomen stellt nicht nur eine Überprüfung der Einsteinschen Gravitationstheorie dar, sondern ist auch ein wichtiger Schritt zur Erforschung ungelöster Rätsel der Physik. Als Teilchen der zweiten Generation besitzt Myonium Eigenschaften, die es zu einem idealen Untersuchungsobjekt machen und neue Erkenntnisse ermöglichen können. Die Herausforderung für die Forschenden besteht im schnellen Zerfall des Myoniums, der innovative technische Lösungen erfordert. Das künftige Interferometer soll dazu beitragen, den Einfluss der Gravitation auf unterschiedliche Teilchen aufzudecken. Sollten die Ergebnisse Anomalien zeigen, könnte dies unser Verständnis der Naturkräfte verändern und möglicherweise das Konzept einer fünften Naturkraft ins Spiel bringen.