Wissenschaftler haben die bisher genaueste Messung der Antimaterie durchgeführt, und die Ergebnisse vertiefen nur das Rätsel, warum das Leben, das Universum und alles darin existieren.
Die neuen Messungen zeigen, dass sich Antimaterie und Materie mit unglaublich hoher Präzision identisch verhalten.
Diese neuen Messungen können jedoch eine der größten Fragen der Physik nicht beantworten: Warum besteht unser Universum heute aus Materie, wenn während des Urknalls gleiche Teile Materie und Antimaterie gebildet wurden?
Universum im Gleichgewicht
Unser Universum basiert auf dem Gleichgewicht der Gegensätze. Für jede Art von "normalem" Teilchen aus Materie gibt es ein konjugiertes Antiteilchen mit derselben Masse, bei dem gleichzeitig die entgegengesetzte elektrische Ladung erzeugt wird. Elektronen haben entgegengesetzte Antielektronen oder Positronen; Protonen haben Antiprotonen; und so weiter.
Wenn sich Materie und Antimaterieteilchen treffen, vernichten sie sich jedoch gegenseitig und lassen nur Energie übrig. Die Physiker gehen davon aus, dass der Urknall gleich viel Materie und Antimaterie hätte erzeugen müssen, und jeder hätte die gegenseitige Zerstörung des anderen sichergestellt und ein Babyuniversum ohne die Bausteine des Lebens (oder wirklich irgendetwas) zurückgelassen. Doch hier sind wir in einem Universum, das fast ausschließlich aus Materie besteht.
Aber hier ist der Kicker: Wir kennen keine ursprüngliche Antimaterie, die es aus dem Urknall geschafft hat. Warum hat also - wenn sich Antimaterie und Materie gleich verhalten - eine Art von Materie den Urknall überlebt und die andere nicht?
Eine der besten Möglichkeiten, diese Frage zu beantworten, besteht darin, die grundlegenden Eigenschaften der Materie und ihrer Antimateriekonjugate so genau wie möglich zu messen und diese Ergebnisse zu vergleichen, sagte Stefan Ulmer, ein Physiker bei Riken in Wako, Japan, der nicht an der neuen beteiligt war Forschung. Wenn es eine leichte Abweichung zwischen den Materieeigenschaften und den korrelierten Antimaterieeigenschaften gibt, könnte dies der erste Hinweis auf die Lösung der größten Einheit der Physik sein. (Im Jahr 2017 stellten Wissenschaftler einige geringfügige Unterschiede im Verhalten einiger Antimateriepartner fest, aber die Ergebnisse waren statistisch nicht stark genug, um als Entdeckung zu gelten.)
Aber wenn Wissenschaftler Antimaterie manipulieren wollen, müssen sie es sorgfältig machen. In den letzten Jahren haben sich einige Physiker mit der Untersuchung von Antiwasserstoff oder dem Antimaterie-Gegenstück von Wasserstoff befasst, weil Wasserstoff "eines der Dinge ist, die wir im Universum am besten verstehen", sagte der Co-Autor der Studie, Jeffrey Hangst, Physiker an der Universität Aarhus in Dänemark, gegenüber Live Science . Die Herstellung von Antiwasserstoff umfasst typischerweise das Mischen von 90.000 Antiprotonen mit 3 Millionen Positronen, um 50.000 Antiwasserstoffatome zu erzeugen, von denen nur 20 mit Magneten in einem 11 Zentimeter langen (28 Zentimeter) zylindrischen Rohr zur weiteren Untersuchung gefangen werden.
In einer neuen Studie, die heute (4. April) in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, hat Hangsts Team einen beispiellosen Standard erreicht: Sie haben die bisher genaueste Messung von Antiwasserstoff - oder jeder Art von Antimaterie - durchgeführt. In 15.000 Antiwasserstoffatomen (denken Sie daran, dass der oben erwähnte Mischprozess etwa 750 Mal durchgeführt wurde) untersuchten sie die Frequenz des Lichts, das die Atome emittieren oder absorbieren, wenn sie von einem Zustand niedrigerer Energie in einen Zustand höherer Energie springen.
Die Messungen der Forscher zeigten, dass die Energieniveaus der Antiwasserstoffatome und die absorbierte Lichtmenge mit einer Genauigkeit von 2 Teilen pro Billion mit ihren Wasserstoffkollegen übereinstimmten und sich gegenüber der vorherigen Messgenauigkeit in der Größenordnung von Teilen pro Milliarde dramatisch verbesserten.
"Es ist sehr selten, dass Experimentatoren es schaffen, die Präzision um den Faktor 100 zu erhöhen", sagte Ulmer gegenüber Live Science. Er glaubt, dass Hangsts Team, wenn es die Arbeit für weitere 10 bis 20 Jahre fortsetzt, in der Lage sein wird, die Genauigkeit der Wasserstoffspektroskopie um einen weiteren Faktor von 1.000 zu erhöhen.
Für Hangst - den Sprecher der ALPHA-Zusammenarbeit bei der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN), die diese Ergebnisse hervorgebracht hat - war diese Leistung Jahrzehnte in der Entwicklung.
Das Fangen und Halten von Antimaterie sei eine große Leistung, sagte Hangst.
"Vor zwanzig Jahren dachten die Leute, dass dies niemals passieren würde", sagte er. "Es ist eine experimentelle Tour de Force, dies überhaupt zu können."
Die neuen Ergebnisse sind sehr beeindruckend, sagte Michael Doser, ein Physiker am CERN, der nicht an der Arbeit beteiligt war, Live Science in einer E-Mail.
"Die Anzahl der für diese Messung eingefangenen Atome (15.000) ist eine enorme Verbesserung gegenüber den eigenen Aufzeichnungen von vor wenigen Jahren", sagte Doser.
Was sagt uns die genaueste Messung von Antimaterie überhaupt? Nun, leider nicht viel mehr als wir bereits wussten. Wie erwartet verhalten sich Wasserstoff und Antiwasserstoff - Materie und Antimaterie - identisch. Jetzt wissen wir nur, dass sie bei einer Messung von Teilen pro Billion identisch sind. Ulmer sagte jedoch, dass die 2-Teile-pro-Billion-Messung nicht ausschließt, dass etwas zwischen den beiden Arten von Materie mit einer noch höheren Genauigkeit abweicht, die sich bisher der Messung widersetzt hat.
Hangst geht es weniger darum, die Frage zu beantworten, warum unser Universum der Materie existiert, als dass es ohne Antimaterie existiert - was er "den Elefanten im Raum" nennt. Stattdessen möchten er und seine Gruppe sich darauf konzentrieren, noch genauere Messungen durchzuführen und zu untersuchen, wie Antimaterie mit der Schwerkraft reagiert - fällt sie wie normale Materie ab oder könnte sie auffallen?
Und Hangst glaubt, dass das Rätsel vor Ende 2018 gelöst werden könnte, wenn das CERN für zwei Jahre wegen Upgrades geschlossen wird. "Wir haben noch andere Tricks im Ärmel", sagte er. "Bleib dran."
