Neuartiger Teilchenstrahl könnte Einsteins Theorie ins Wanken bringen

Am PSI erzeugen Forschende Myonen und ihre Antiteilchen – Partikel der zweiten Generation – künstlich in einem großen Teilchenbeschleuniger. Verbindet sich ein Antimyon mit einem Elektron, entsteht daraus ein Myonium-Atom. „Wir Physikerinnen und Physiker verstehen noch nicht, warum es diese zusätzlichen Generationen überhaupt gibt“, sagt Soter: „Und warum sind es insgesamt drei?“ Besonders spannend ist auch die Frage, ob sich die zunehmenden Massen der Teilchen der zweiten und dritten Generationen in Bezug auf die Schwerkraft genauso verhalten, wie man es von den leichteren Teilchen der ersten Generation kennt, Protonen, Neutronen und Elektronen.

Für die gewöhnliche Materie gilt, dass an einem bestimmten Ort in einem Gravitationsfeld alle Körper gleich schnell fallen. Diese Universalität des freien Falles erkannten bereits Galileo Galilei und Isaac Newton, und als Äquivalenzprinzip von schwerer und träger Masse ist sie ein Eckpfeiler von Albert Einsteins Gravitationstheorie.

Dieses Prinzip konnte bisher jedoch nur bei normaler Materie beziehungsweise Antimaterie der ersten Generation nachgewiesen werden. Mit der Gravitationsmessung von Myonium würden die Forschenden erstmals untersuchen, wie ein Teilchen der zweiten Generation fällt. „Das exotische Myonium eignet sich dazu sehr gut, weil es ein neutrales Atom ist“, erklärt Soter: „Denn zum Fallenlassen braucht es etwas Neutrales.“ Bei einem geladenen Teilchen würde der schwache Effekt der Schwerkraft von elektromagnetischen Streufeldern überdeckt.

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Facetten der Gravitation

Doch es gibt auch Hindernisse: Myonen zerfallen sehr schnell, nach nur 2,2 Mikrosekunden. Und bisherige Myonium-Quellen erzeugten Atome, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in viele Richtungen flogen und deshalb für präzise Experimente ungeeignet waren.

Am PSI gelang den Forschenden nun ein Durchbruch. „Wir haben es geschafft, die Myonium-Atome in einem kalten Zustand zu erzeugen, der das Gravitationsexperiment erst möglich macht“, sagt Soter: „Kalt“ bedeutet in diesem Fall, dass sich die Atome mit ähnlicher Geschwindigkeit fast parallel zueinander ausbreiten.“

Dies gelang mithilfe einer neuen Methode zur Erzeugung der Myonium-Atome, wie die Forschenden im externe Seite Fachjournal Nature Physics berichten. „Wir verwendeten dazu supraflüssiges Helium, das bis nahe an den absoluten Nullpunkt bei minus 273 Grad Celsius abgekühlt wurde“, erklärt Jesse Zhang, Erstautor der Studie: „Supraflüssiges Helium ist eine Quantenflüssigkeit, in der die einzelnen Heliumatome ihre Identität verlieren und die keine Unreinheiten im Innern mag.“

Die Methode: Die im PSI-Beschleuniger erzeugten Antimyonen werden in eine dünne Schicht supraflüssiges Helium geschossen und dort abgebremst. Trifft ein Antimyon im Helium auf ein freies Elektron, entsteht ein Myonium-Atom mit einem positiven chemischen Potenzial und wird quasi aus der Flüssigkeit hinausgedrängt. Erreicht es die Oberfläche, wird das chemische Potenzial in kinetische Energie umgewandelt. Das Atom erhält einen Kick und schießt senkrecht aus der Flüssigkeit heraus. „Wir nutzen das chemische Potenzial also als Atomkanone“, erklärt Zhang.

Entscheidend dabei ist, dass sich die Myonium-Atome mit einer bestimmten Geschwindigkeit und ohne Kollisionen ungehindert durch die Quantenflüssigkeit bewegen können, sonst würden sie mit ihrer extrem kurzen Lebensdauer gar nicht zur Oberfläche gelangen. „Für unsere Experimente sind wir zudem auf den Teilchenbeschleuniger des PSI angewiesen. Er erzeugt die weltweit intensivsten, kontinuierlichen Myonenstrahlen“, sagt Soter: „Dank dieser hochwertigen Quelle können sehr viele Myonium-Atome entstehen.“

Doch was, wenn die Schwerkraft auf das exotische Atom anders wirkt als auf die gewöhnliche Materie? „Dies wäre tatsächlich überraschend, und neben anderen Theorien könnte dies auf die Existenz einer fünften Kraft hindeuten“, sagt Soter. [ETHZ / dre]