Antimaterie = Antigravitation?

Was passiert, wenn man ein Objekt aus normaler Materie fallenlässt? Ganz klar: Es fällt auf den Boden. Und was passiert, wenn man das Gleiche mit Antimaterie macht? Die Antwort auf diese Frage ist bisher unbekannt. Es ist zwar wahrscheinlich, dass sich die Antiteilchen ebenfalls in Richtung Erdboden bewegen. Theoretisch könnten sie aber auch entgegengesetzt auf die Schwerkraft reagieren oder nur verlangsamt wie in Zeitlupe nach unten fallen.

Blick in das ALPHA-Experiment am CERN, das das Fallverhalten von Antiteilchen untersuchte. Das Foto zeigt die Elektroden der Penningfalle in der Vakuumkammer. © Niels Madsen ALPHA/Swansea

Anders als bei Materie?

„Seit die Antimaterie entdeckt wurde, hat man darüber spekuliert, dass sie andere Gravitationseigenschaften besitzen könnte als Materie“, erklärt Joel Fajans von der University of California in Berkeley, ein Mitwirkender am ALPHA-Experiment des CERN. Dabei könnte diese „Antigravitation“ eine Abstoßungsreaktion bewirken, die Antiteilchen nach oben fallen lassen würde. Es könnte aber auch nur kleine Abweichungen geben, durch die Antiteilchen langsamer fallen als normale Materie.

„Ein nur kleiner Unterschied in der Reaktion der Antimaterie auf die Gravitation wäre theoretisch sehr viel plausibler“, meint Fajans‘ Kollege Jay Tasson vom Carleton College. „Aber jeder noch so kleine Unterschied würde schon ausreichen, um unser Verständnis der Allgemeinen Relativität und des Standardmodells zu erschüttern – gängige Theorien müssten neu gedacht werden.“ Andererseits könnte ein solcher Unterschied helfen zu erklären, warum wir in einem Universum voller Materie leben.

Funktionsprinzip des ALPH-Experiments © Nature

Magnetkäfig mit Ausschalter

Wie aber kann man das Verhalten der Antimaterie testen? Eine Chance bietet das ALPHA-Experiment am CERN, wie sich vor kurzem zeigte. „Es war eigentlich eher Zufall“, sagt Fajans. Im ALPHA-Experiment halten die Physiker Antiprotonen und Positronen in einer speziellen Magnetfalle in der Schwebe und verhindern so, dass sie mit Materie kollidieren und ausgelöscht werden.

Wenn man nun das Magnetfeld abschaltet, dann sind diese Antiteilchen für kurze Zeit der Schwerkraft ausgesetzt. Wenn man nun ermittelt, wo genau im Detektor die Annihilation dieser Teilchen stattfindet, kann dies verraten, ob sich die Antiteilchen nach Abschalten des Magnetfelds nach unten oder oben bewegt haben – ob sie also der Schwerkraft folgten oder ihr auswichen.

Diese Lichtblitze werden von der Annihilation des Antiwasserstoff im ALPHA-Experiment erzeugt. © Maximilien Brice/ CERN

Eine Antwort schon in den nächsten Jahren?

Tatsächlich können die genauen Detektoren des ALPHA-Experiments diese Daten liefern – im Prinzip. Noch allerdings gibt es Probleme: In den ersten Versuchen war das Abschalten nicht plötzlich genug, dadurch löschten sich die meisten Antiteilchen aus, bevor sie sich nach oben oder unten bewegen können. Von den 434 Antiwasserstoff-Atomen waren dadurch nur 23 für die Messung brauchbar – viel zu wenig, um belastbare Ergebnisse zu erhalten. „Gibt es eine Antigravitation? Bisher können wir weder eindeutig ja noch nein sagen“, so Fajans.

Doch die CERN-Forscher sind optimistisch, dass sie die Probleme schon bald in den Griff bekommen. Die Physiker sind im Moment dabei, das Experiment entsprechend zu optimieren, damit unter anderem das Magnetsystem schneller abgeschaltet wird. Sie rechnen damit, schon in den nächsten vier Jahren klären zu könne, ob sollen künftig ebenfalls die Reaktion von Antiteilchen auf Schwerkraft untersuchen. Es könnte daher nicht mehr lange dauern, bis wir wissen, wohin ein Antiteilchen fällt – man darf gespannt sein.

Nadja Podbregar
Stand: 06.11.2015