Stellt euch vor: Gravity behandelt alle gleich — aber sind wir uns da sicher?

Galilei hat es vor Jahrhunderten bewiesen: Ein Bowle und eine Feder fallen im Vakuum gleich schnell. Einstein hat daraus sein ganzes Gravitationsverständnis gebaut. Das Äquivalenzprinzip nennt er das, und es ist so etwas wie das Fundament der modernen Physik.

Aber halt — getestet haben wir das Prinzip bisher nur mit ganz normaler Materie. Protonen, Neutronen, Elektronen. Das Zeug, aus dem alles besteht, was wir anfassen können.

Und was ist mit den seltsamen, schweren Verwandten dieser Teilchen? Fallen die vielleicht anders?

Genau das will jetzt ein Team an der ETH Zürich und am Paul Scherrer Institut herausfinden — und zwar mit einem der bizarrsten Teilchen überhaupt.

Das Muon stellt sich vor

Kennt ihr das Muon? Stellt es euch als den übergewichtigen Cousin des Elektrons vor. Es ist in fast jeder Hinsicht identisch mit einem Elektron — nur etwa 200-mal schwerer. Und hier wird es spannend: Niemand weiß, warum es diese schwereren Teilchengenerationen überhaupt gibt.

Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt drei Materiegenerationen. Die erste kennen wir alle: Protonen, Neutronen, Elektronen. Die zweite: Muonen und ihre Begleiter. Die dritte: noch schwerere Teilchen namens Tau.

„Warum gibt es überhaupt diese zusätzlichen Generationen? Und warum genau drei?" formuliert es die Physikerin Anna Soter.

Gute Frage, oder? Wir haben keine Antwort. Und genau dieses Rätsel brachte das Team auf eine verrückte Idee: Vielleicht reagieren diese schwereren Teilchen anders auf die Schwerkraft. Vielleicht haben wir die ganze Zeit das Falsche angenommen.

Das Problem mit der Schwerkraftmessung bei Muonen

Ihr wollt also testen, ob Muonen genauso fallen wie Elektronen? Klingt einfach. Einfach Muonen fallen lassen und beobachten.

Wenn nur alles so einfach wäre.

Problem eins: Muonen sind asozial. Sie existieren nur etwa 2,2 Mikrosekunden, bevor sie in andere Teilchen zerfallen. Das sind 0,0000022 Sekunden. Ihr könnt euch vorstellen, dass ein entspanntes Fall experiment damit schwierig wird.

Problem zwei: Wenn ihr ein geladenes Muon nehmt, würden selbst winzige elektromagnetische Felder die Messung komplett verfälschen. Schwerkraft ist nun mal schwach — sie lässt sich leicht übertrumpfen.

Die Lösung? Muonium.

Das seltsamste Atom der Welt

Muonium klingt nach Science-Fiction, aber es existiert wirklich. Ihr nehmt ein positiv geladenes Anti-Muon und verbandelt es mit einem negativ geladenen Elektron. Heraus kommt: ein neutrales Atom, das praktisch eine Mischung aus Materie und Antimaterie ist.

Neutral ist entscheidend, denn so stören elektromagnetische Felder die Messung nicht. Das Team kann dem Muonium tatsächlich beim Fallen zusehen.

Aber da bleibt noch das Geschwindigkeitsproblem. Herkömmliche Methoden erzeugten Muonium-Atome, die in alle Richtungen rasten — völlig unbrauchbar für präzise Messungen.

Der Durchbruch: „Kaltes" Muonium. Atome, die sich alle mit nahezu gleicher Geschwindigkeit in ungefähr dieselbe Richtung bewegen. Erst das macht ein Gravitationsexperiment möglich.

Die Atomkanone

Jetzt wird's richtig cool. Um diesen kalten Muonium-Strahl zu erzeugen, nutzen die Forscher superflüssiges Helium — abgekühlt auf knapp über dem absoluten Nullpunkt, also um die minus 273 Grad Celsius.

Superflüssiges Helium ist im Grunde eine Quantenflüssigkeit, in der Atome ihre Individualität verlieren und das ganze Material reibungsfrei wird. Außerdem verträgt es keine Verunreinigungen. Die Diva unter den Flüssigkeiten, wenn man so will.

Wenn die Anti-Muonen aus dem Beschleuniger des PSI in dieses Helium eintreten, werden sie abgebremst. Wenn ein Anti-Muon dann ein freies Elektron einfängt und Muonium bildet, passiert etwas Magisches: Das chemische Potenzial in der Flüssigkeit wirkt wie ein winziger Raketenmotor und treibt das neugeborene Atom nach oben durch die Oberfläche.

Lead-Autor Jesse Zhang beschreibt das wunderschön: „Wir nutzen das chemische Potenzial als Atomkanone."

Ich liebe diesen Ausdruck. Eine Atomkanone, die exotische Atome durch Quantenflüssigkeit schießt, um Einsteins Theorie zu testen. Wissenschaft ist großartig.

Und jetzt?

Als nächstes bauen die Forscher ein Interferometer — ein Gerät, das die Welleneigenschaften von Atomen nutzt, um winzigste Effekte zu messen. Wenn die Muonium-Atome in der Schwerkraft der Erde aufsteigen und fallen, wird das Interferometer jede noch so subtile Verschiebung ihrer Wellenmuster erfassen.

Wenn Einstein recht hatte und das Äquivalenzprinzip auch für Teilchen der zweiten Generation gilt, dann sollte sich das Muonium genau wie gewöhnliche Materie verhalten.

Aber wenn es selbst die kleinste Abweichung gibt? Das wäre riesig. Nobelpreis-Niveau und ein kompletter Umbau der Physik-Lehrbücher.

Ehrlich gesagt hoffe ich, dass sie etwas finden. Nicht weil ich Einstein widersprechen will, sondern weil wir das Äquivalenzprinzip seit Jahrhunderten immer nur mit derselben Art von Materie getestet haben. Es wird Zeit, neue Wege zu gehen. Es wird Zeit zu herauszufinden, ob das Universum fair zu allen seinen Teilchen ist — oder nur zu denen, die wir kennen.

Das Experiment könnte uns endlich erklären, warum die Natur überhaupt mehrere Materiegenerationen erschaffen hat. Das ist eine verdammt große Sache für ein Teilchen, das nur 2,2 Mikrosekunden existiert.

Manchmal bringen die kurzlebigsten Dinge die tiefgreifendsten Lehren.

Quelle: ScienceDaily