Physik-Durchbruch
Wackelt jetzt Einsteins Weltbild? Forscher bauen spektakuläre „Atomkanone“!
Wissenschaftlern in der Schweiz ist ein bemerkenswerter technologischer Durchbruch gelungen, der fundamentale Gesetze der Physik auf die Probe stellen könnte. Ein neuartiger Teilchenstrahl am Paul Scherrer Institut soll erstmals klären, ob die Schwerkraft auf exotische Teilchen exakt genauso wirkt wie auf alltägliche Materie.
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Das Äquivalenzprinzip auf dem Prüfstand
Dass an ein und demselben Ort alle Körper im Vakuum exakt gleich schnell zu Boden fallen, zählt seit Jahrhunderten zu den unumstößlichen Grundfesten der modernen Naturwissenschaften. Bereits Universalgelehrte wie Galileo Galilei und Isaac Newton formulierten diese Universalität des freien Falls. Später erhob Albert Einstein diese Erkenntnis zum Herzstück seiner Allgemeinen Relativitätstheorie: Schwere und träge Masse sind vollkommen äquivalent. Doch dieses fundamentale Äquivalenzprinzip wurde von der Wissenschaft bislang ausschließlich an einer einzigen Sorte Materie experimentell überprüft – an jener gewöhnlichen Materie der ersten Generation, aus der die Menschheit, Planeten und der gesamte sichtbare Kosmos aufgebaut sind.
Im etablierten Standardmodell der Teilchenphysik gliedert sich die Welt der Materie in mehrere Stufen:
- Erste Generation: Die Bausteine unserer vertrauten Alltagswelt, bestehend aus Protonen, Neutronen und leichten Elektronen.
- Zweite Generation: Deutlich schwerere Verwandte, zu denen etwa das Myon als massereicherer Bruder des Elektrons gehört.
- Dritte Generation: Noch extremere und massereichere Elementarteilchen, die unmittelbar nach dem Urknall oder in Hochenergieprozessen entstehen.
"Wir Physikerinnen und Physiker verstehen noch nicht, warum es diese zusätzlichen Generationen überhaupt gibt", betont Anna Soter von der renommierten ETH Zürich, "und warum es insgesamt drei sind?" Ob die Erdanziehungskraft auf diese schwereren Geschwisterteilchen in gleicher Weise einwirkt, blieb bislang völlig ungeprüft.
Myonium als Schlüssel für das Schwerkraft-Rätsel
Ein Forscherteam um Anna Soter, das am Paul Scherrer Institut (PSI) im schweizerischen Villigen experimentiert, will dieses fundamentale Rätsel nun lösen. Ein Schwerkraft-Experiment mit Elementarteilchen verlangt jedoch nach vollkommener elektrischer Neutralität. Da schon minimale elektromagnetische Streufelder billionenfach stärker auf geladene Teilchen einwirken als die zarte Gravitation der Erde, würde der Effekt der Schwerkraft augenblicklich überlagert werden.
Aus diesem Grund wählten die Forscher ein exotisches, künstlich erzeugtes Atom namens Myonium:
- Aufbau: Ein positiv geladenes Antimyon fungiert als massereicher Kern, der von einem gewöhnlichen, negativ geladenen Elektron umkreist wird.
- Elektrische Neutralität: Da sich die Ladungen exakt ausgleichen, ist das Gebilde nach außen hin neutral und eignet sich optimal für Fallversuche.
- Die Hürde: Die extreme Kurzlebigkeit stellt eine enorme Hürde dar, denn Myonen und ihre Antiteilchen zerfallen bereits nach winzigen 2,2 Mikrosekunden.
- Das Ausgangsproblem: Bisherige Quellen produzierten Myonium-Atome ausschließlich als ungeordneten Schwarm, der mit völlig unterschiedlichen Geschwindigkeiten in sämtliche Himmelsrichtungen davonflog.
"Das exotische Myonium eignet sich dazu sehr gut, weil es ein neutrales Atom ist", erklärt Soter die theoretischen Vorzüge des künstlichen Elements. Für eine präzise gravitative Messung benötigte man jedoch zwingend eine geordnete Flugbahn.
Supraflüssiges Helium als hocheffiziente Atomkanone
Im renommierten Fachjournal Nature Physics stellte das Forscherteam nun die bahnbrechende Lösung für eine hochpräzise Quelle vor. Als Kernstück dient eine hauchdünne Schicht flüssigen Heliums, die auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt bei minus 273 Grad Celsius tiefgekühlt wird. Bei dieser extremen Kälte verwandelt sich das Element in eine sogenannte Quantenflüssigkeit und wird supraflüssig.
Jesse Zhang, der Erstautor der Studie, beschreibt diesen faszinierenden Zustand: Die Quantenflüssigkeit zeichnet sich dadurch aus, "in der die einzelnen Heliumatome ihre Identität verlieren und die keine Unreinheiten im Innern mag". Diese Abstoßung nutzen die Forscher gezielt aus: Im Teilchenbeschleuniger produzierte Antimyonen werden in das Helium gelenkt und sanft abgebremst. Sobald ein Antimyon auf ein freies Elektron trifft, formiert sich das Myonium.
Die supraflüssige Umgebung duldet den künstlichen Fremdkörper nicht und stößt ihn augenblicklich an die Oberfläche ab. Dieser Druck, physikalisch als chemisches Potenzial definiert, wandelt sich schlagartig in reine Bewegungsenergie um. Das Atom schießt im perfekten rechten Winkel senkrecht ins Vakuum empor. "Wir nutzen das chemische Potenzial also als Atomkanone", fasst Zhang den Vorgang zusammen. Da die Atome das Helium widerstandslos ohne Kollisionen durchqueren, treten sie aus, lange bevor ihre Lebensdauer von 2,2 Mikrosekunden endet. Es entsteht ein sogenannter "kalter Strahl" – Atome mit annähernd gleicher Geschwindigkeit, die sich parallel ausbreiten.
Auf der Suche nach der fünften Naturkraft
Um die Wirkung der Schwerkraft an diesem Strahl exakt zu messen, konstruiert die Forschungsgruppe derzeit ein hochsensibles Interferometer. Das Messgerät nutzt die quantenmechanische Welleneigenschaft der Atome: Der Strahl wird aufgespalten und wieder zusammengeführt, wodurch ein charakteristisches Streifenmuster entsteht. Wirkt die Schwerkraft auf das fallende Myonium ein, verschiebt sich dieses Muster minimal, woraus sich die gravitative Anziehung auf die zweite Teilchengeneration exakt berechnen lässt.
Der ehrgeizige Zeitplan der Forscher:
- Heuer: Erste methodische Kalibrierungstests mit dem Interferometer direkt am kalten Teilchenstrahl.
- In zwei bis drei Jahren: Start des eigentlichen Hauptexperiments zur Messung des freien Falls.
Sollte das exotische Gebilde wider Erwarten nicht exakt so fallen wie ein Stein, stünde die moderne Physik vor einer monumentalen Sensation: Dies wäre der erste greifbare Beweis für eine bislang unentdeckte fünfte fundamentale Wechselwirkung neben Schwerkraft, Elektromagnetismus sowie starker und schwacher Kernkraft. Anna Soter selbst blickt der Versuchsreihe gelassen entgegen: "Ich bin völlig unvoreingenommen. Ich möchte einfach erstmals messen, ob die Äquivalenz zwischen Gravitations- und Trägheitsmasse auch für die zweite Teilchengeneration gilt. Allein dies ist eine ziemlich inspirierende Arbeit."