29.09.2023
These findings conclusively prove, for the first time, that antigravity does not exist.
Großes CERN-Experiment bestätigt, dass Antimaterie auf die Schwerkraft reagiert, wie Einstein vorhergesagt hatte
Diese Ergebnisse beweisen zum ersten Mal schlüssig, dass Antigravitation nicht existiert.
On Wednesday (Sept. 27) morning, an international team of physicists reported a major finding about an elusive form of matter known as antimatter. It appears that antimatter responds to gravity the same way regular matter does.
This result marks the first-ever direct observation of free-falling antimatter, in which atoms are made of antiprotons instead of protons and antielectrons (positrons) instead of electrons. Antiprotons are basically negatively charged protons (protons are positive in normal matter atoms) and positrons are positively charged electrons (electrons are negative in normal matter atoms). Yeah, it's weird.
More specifically to the recent story, the team's feat ultimately proved that atomic antihydrogen in particular — made up of one antiproton in the center with a positively charged positron orbiting around it — is pulled downward due to gravity instead of upward like you might expect with a form of matter that presents as the "opposite" of normal matter, which, as we know, falls downward with gravity as well.
Furthermore, close to three decades after antihydrogen was first created in a lab, today's scientific triumph is yet another confirmation of Einstein's general theory of relativity, which predicts that all masses, irrespective of differences in their internal structures, react to gravity in a similar manner.
"If you walk down the halls of this department and ask the physicists, they would all say that this result is not the least bit surprising. That's the reality," Jonathan Wurtele, a physics professor at the University of California at Berkeley who first proposed the experiment over a decade ago and a co-author of the new study, said in a statement. "But most of them will also say that the experiment had to be done because you never can be sure."
Dieses Ergebnis markiert die erste direkte Beobachtung frei fallender Antimaterie, bei der Atome aus Antiprotonen statt Protonen und Antielektronen (Positronen) statt Elektronen bestehen. Antiprotonen sind grundsätzlich negativ geladene Protonen (Protonen sind in Atomen normaler Materie positiv) und Positronen sind positiv geladene Elektronen (Elektronen sind negativ in Atomen normaler Materie). Ja, es ist seltsam.
Genauer gesagt bewies die Leistung des Teams letztendlich, dass insbesondere atomarer Antiwasserstoff – bestehend aus einem Antiproton im Zentrum und einem positiv geladenen Positron, das ihn umkreist – aufgrund der Schwerkraft nach unten gezogen wird, statt nach oben, wie man es bei einem erwarten würde Form der Materie, die das „Gegenteil“ der normalen Materie darstellt, die, wie wir wissen, ebenfalls mit der Schwerkraft nach unten fällt.
Darüber hinaus ist der heutige wissenschaftliche Triumph fast drei Jahrzehnte nach der ersten Herstellung von Antiwasserstoff im Labor eine weitere Bestätigung von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, die vorhersagt, dass alle Massen, unabhängig von Unterschieden in ihren inneren Strukturen, auf die Schwerkraft in ähnlicher Weise reagieren .
„Wenn Sie durch die Flure dieser Abteilung gehen und die Physiker fragen, würden sie alle sagen, dass dieses Ergebnis nicht im Geringsten überraschend ist. Das ist die Realität“, sagte Jonathan Wurtele, Physikprofessor an der University of California in Berkeley, der als Erster den Vorschlag vorschlug sagte in einer Erklärung, dass er das Experiment vor über einem Jahrzehnt durchgeführt habe und einer der Mitautoren der neuen Studie sei. „Aber die meisten werden auch sagen, dass das Experiment gemacht werden musste, weil man nie sicher sein kann.“
Capturing the miniscule
Wurtele and his team created, trapped and studied antihydrogen particles at The European Center for Nuclear Research (better known by its French acronym, CERN). The particles were trapped within what was essentially a magnetic bottle, both ends of which contained controllable magnetic fields. To witness the effects of gravity, which is the weakest of the four known forces, on the antihydrogen particles, researchers reduced the magnetic field strength at each end to let the particles escape.
When each particle wandered to the top or bottom of the magnetic bottle, it zapped in a flash. Researchers then counted those flashes and found a higher number wandered to the bottom of the bottle compared to the top. A staggering 80% of them behaved in such a way, in fact, and this result held true for a dozen repeats of the experiment. According to the new study, that conclusively demonstrated that gravity causes the antihydrogen to fall downward.
"This gives us a powerful experimental knob that allows us, basically, to believe the experiment actually worked because we can prove to ourselves that we can control the experiment in a predictable manner," Joel Fajans, a physics professor at UC Berkeley and a co-author of the new study, said in the statement.
The team also found that the gravitational acceleration of antihydrogen was close to that of normal matter, which is 9.8 meters (32 feet) per second squared. That result is expected to hold true for other antimatter particles too, researchers say.
"It would be doubly surprising if this was not true (first, that something fell up, and second that there was a difference with antihydrogen)," Fajans told Space.com in an email.
However, though the latest findings rule out theories that posit antimatter is repelled by gravity, only more precise measurements will tell if there is any difference in the gravitational force on antimatter compared to matter.
Nonetheless, by achieving the first direct observation of gravitational effects on antihydrogen, researchers mark the beginning of detailed and direct pursuit of the gravitational nature of antimatter, which remains puzzlingly scarce in the universe.
Das Winzige einfangen
Wurtele und sein Team haben am Europäischen Zentrum für Kernforschung (besser bekannt unter der französischen Abkürzung CERN) Antiwasserstoffpartikel hergestellt, eingefangen und untersucht. Die Partikel waren in einer im Wesentlichen magnetischen Flasche gefangen, deren beide Enden kontrollierbare Magnetfelder enthielten. Um die Auswirkungen der Schwerkraft, der schwächsten der vier bekannten Kräfte, auf die Antiwasserstoffpartikel zu beobachten, reduzierten die Forscher die Magnetfeldstärke an jedem Ende, um die Partikel entweichen zu lassen.
Als jedes Teilchen zur Ober- oder Unterseite der Magnetflasche wanderte, zerplatzte es blitzschnell. Die Forscher zählten dann diese Blitze und stellten fest, dass eine größere Anzahl von Blitzen zum Boden der Flasche wanderte als zum oberen Ende. Erstaunliche 80 % von ihnen verhielten sich tatsächlich so, und dieses Ergebnis galt für ein Dutzend Wiederholungen des Experiments. Laut der neuen Studie wurde damit schlüssig bewiesen, dass die Schwerkraft dazu führt, dass der Antiwasserstoff nach unten fällt.
„Dies gibt uns einen leistungsstarken experimentellen Knopf, der es uns im Grunde erlaubt zu glauben, dass das Experiment tatsächlich funktioniert hat, weil wir uns selbst beweisen können, dass wir das Experiment auf vorhersehbare Weise steuern können“, sagt Joel Fajans, Physikprofessor an der UC Berkeley und Co -Autor der neuen Studie, sagte in der Erklärung.
Das Team fand außerdem heraus, dass die Gravitationsbeschleunigung von Antiwasserstoff nahe an der von normaler Materie liegt, nämlich 9,8 Meter (32 Fuß) pro Quadratsekunde. Forscher gehen davon aus, dass dieses Ergebnis auch für andere Antimaterieteilchen gilt.
„Es wäre doppelt überraschend, wenn das nicht wahr wäre (erstens, dass etwas herunterfiel, und zweitens, dass es einen Unterschied zu Antiwasserstoff gab)“, sagte Fajans in einer E-Mail an Space.com.
Obwohl die neuesten Erkenntnisse Theorien, die davon ausgehen, dass Antimaterie durch die Schwerkraft abgestoßen wird, ausschließen, können nur genauere Messungen Aufschluss darüber geben, ob es einen Unterschied in der Gravitationskraft auf Antimaterie im Vergleich zu Materie gibt.
Dennoch markieren die Forscher mit der ersten direkten Beobachtung von Gravitationseffekten auf Antiwasserstoff den Beginn einer detaillierten und direkten Untersuchung der Gravitationsnatur von Antimaterie, die im Universum nach wie vor rätselhaft selten ist.
If matter and antimatter act so similarly, where's the universe's missing antimatter?
That is still an open question.
During the Big Bang, the universe is believed to have been rich with pairs of matter and antimatter particles, with the latter considered matter's mirror as its particles sport the same mass except for an opposite electrical charge. If matter and antimatter particles come into contact, they wipe out each other in a violent flash that leaves behind pure energy, so matter and antimatter particles are always created and destroyed in pairs.
In theory, that means the universe should feature nothing but leftover energy, at least according to the Standard Model of particle physics that outlines our current best understanding of how fundamental particles behave under those four aforementioned forces. But, that symmetry was broken down sometime during the evolution of the universe such that we clearly see matter dominating the observable universe. This is simply beyond what the Standard Model can explain. Thus, the processes that tipped the scales such that so little antimatter was left behind remain yet unknown.
"Unfortunately since our answers are consistent with general relativity, they do not shine any light on the scarcity of antimatter," Fajans told Space.com in an email. Fajans added that he anticipates the precision of the current experiment can be improved by a factor of 100 in the future. "This may lead to something new but of course we have no idea yet if that is to be the case. Most would say it is unlikely, but still worth pursuing."
The findings were published by the Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA) collaboration at CERN on Wednesday (Sept. 27) in the journal Nature.
Wenn sich Materie und Antimaterie so ähnlich verhalten, wo ist dann die fehlende Antimaterie im Universum?
Das ist noch eine offene Frage.
Es wird angenommen, dass das Universum während des Urknalls reich an Paaren aus Materie- und Antimaterieteilchen war, wobei letztere als Spiegel der Materie betrachtet wurden, da ihre Teilchen bis auf eine entgegengesetzte elektrische Ladung die gleiche Masse hatten. Wenn Materie- und Antimaterieteilchen in Kontakt kommen, vernichten sie sich gegenseitig in einem heftigen Blitz, der reine Energie zurücklässt, sodass Materie- und Antimaterieteilchen immer paarweise erzeugt und zerstört werden.
Theoretisch bedeutet das, dass das Universum nichts als übrig gebliebene Energie enthalten sollte, zumindest nach dem Standardmodell der Teilchenphysik, das unser derzeit bestes Verständnis darüber darstellt, wie sich fundamentale Teilchen unter den vier oben genannten Kräften verhalten. Aber diese Symmetrie wurde irgendwann im Laufe der Entwicklung des Universums gebrochen, so dass wir deutlich erkennen, dass Materie das beobachtbare Universum dominiert. Dies geht einfach über das hinaus, was das Standardmodell erklären kann. Daher sind die Prozesse, die den Ausschlag dafür gaben, dass so wenig Antimaterie zurückblieb, noch unbekannt.
„Da unsere Antworten leider mit der allgemeinen Relativitätstheorie übereinstimmen, werfen sie kein Licht auf die Knappheit der Antimaterie“, sagte Fajans in einer E-Mail gegenüber Space.com. Fajans fügte hinzu, dass er davon ausgeht, dass die Präzision des aktuellen Experiments in Zukunft um den Faktor 100 verbessert werden kann. „Das könnte zu etwas Neuem führen, aber wir haben natürlich noch keine Ahnung, ob das der Fall sein wird. Die meisten würden sagen, dass es unwahrscheinlich ist, aber es lohnt sich trotzdem, es weiterzuverfolgen.“
Die Ergebnisse wurden von der Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA)-Kollaboration am CERN am Mittwoch (27. September) in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
Quelle: SC