Im Beitrag “Anti-Gravitation” habe ich darüber geschrieben, wie wenig bis heute in Bezug auf das Gravitationsverhalten von Antimaterie experimentell gesichert ist. Und das obwohl sich einige der grössten theoretischen Probleme der modernen Physik erklären liessen, falls sich das Gravitationsverhalten von Antimaterie als anders im Vergleich zu demjenigen der gewöhnlichen Materie herausstellen sollte – ich habe diesbezüglich in “Anti-Gravitation” eine alternative Erklärung für die anomalen Galaxie-Rotationskurven vorgestellt. Höchste Zeit also, dass die Gravitation von Antimaterie experimentell untersucht wird. Genau dies ist das Ziel des am Paul Scherrer Institut (PSI) geplanten Muonium Antimatter Gravity Experiments (MAGE). In diesem Beitrag werde ich die wichtigsten Ideen des Experiments vorstellen. Aber der Reihe nach…

Muonium

Schematische Darstellung eines Muonium-Atoms

Wie der Name schon andeutet, untersucht das MAGE Experiment das Gravitationsverhalten von Muonium (kurz Mu). Mu ist ein “Atom” bestehend aus einem Anti-Muon als Kern (das Muon ist quasi der “schwere Bruder” des Elektrons) und einem Elektron, das an diesen Kern gebunden ist. Mu besteht folglich hauptsächlich aus Antimaterie und ist elektrisch neutral. Letzteres ist wichtig, da die elektromagnetische Kraft viel stärker als die Gravitationskraft ist. Elektrisch geladene Teilchen würden von unerwünschten elektromagnetischen Feldern (wie sie etwa von Mobiltelefonen ausgesendet werden) so stark gestört werden, dass der kleine Effekt der Gravitation gar nicht feststellbar wäre. Mu hat weitere Eigenschaften, die in Bezug auf einen Gravitationstest mit Antimaterie interessant sind: es besteht nur aus sogenannten Leptonen und es enthält mit dem Muon ein Elementarteilchen der zweiten Generation. Ersteres ist ein Vorteil, da aus Quarks zusammengesetzte Systeme (wie etwa der Kern in Anti-Wasserstoff) Masse in Form von nuklearer Bindungsenergie aufweisen, deren Gravitationsverhalten potentiell die Messung verfälschen könnte. Zweiteres ist ganz besonders, da bis jetzt noch gar nie eine Gravitationsmessung an einem Teilchen der zweiten Generation durchgeführt worden ist.

Die Teilchen des Standardmodells (Bild von mpp.mpg.de). Die Bauteile des Mu-Atoms – das Elektron und das Muon – sind in der Gruppe der Leptonen (grün) zu finden. Das Muon ist ein Teilchen der zweiten Generation (es ist in der zweiten Spalte angeordnet).

Antimatter Gravity

So weit, so gut. Kommen wir nun zur wirklich interessanten Frage: Wie kann das Gravitationsverhalten von Muonium bestimmt werden? Muonium ist nicht gerade langlebig (ruhend besitzt es eine durchschnittliche Lebenserwartung von 2.2 µs) und die Gravitationskraft ist im Vergleich zu allen anderen Kräften enorm schwach (rund 10-26 mal schwächer als die fundamentale Kraft, die “schwache Kraft” genannt wurde). Das macht die Sache nicht gerade einfach. Der folgende Aufbau sollte es aber möglich machen, das Fallen (bzw. das eventuelle Hochfliegen) von Muonium-Atomen im Erd-Gravitationsfeld zu messen.

Grundaufbau des MAGE Experiments (Bild von Antognini et al.). Das Kernstück des Experiments bildet ein Mach-Zehnder Atom-Interferometer (in der Mitte). Es generiert ein Interferenzmuster, das abhängig vom Einfluss des Erd-Gravitationsfeldes auf die Teilchen unterschiedlich stark verschoben ist. Das Interferenzmuster kann durch Bewegen des letzten Gitters gescannt werden. Die Anzahl der durchgelassenen Teilchen als Funktion der Zeit wird schliesslich im Muonium-Detektor bestimmt.
Mach-Zehnder Atom-Interferometer

Das Kernstück des MAGE Experiments bildet ein sogenanntes Mach-Zehnder Atom-Interferometer. Dieses besteht aus drei Gittern, die in Abständen von ~3 cm hintereinander angebracht sind. Die Funktionsweise des Interferometer basiert auf dem Wellenverhalten von Teilchen. Ein Teilchen nimmt nämlich nicht nur einfach einen Weg durch die drei Gitter (wie man dies von Teilchen erwarten würde), sondern scheint auf gewisse Weise alle Wege gleichzeitig zu nehmen (wie man dies eher von einer Welle erwarten würde). Die unterschiedlichen Wege kommen beim letzten Gitter des Interferometer wieder zusammen und interferieren. Falls sie in einem Punkt positiv interferieren, so ist die Wahrscheinlichkeit grösser, dass ein Teilchen nach dem Interferometer in diesem Punkt gemessen wird. Interferieren sie dagegen negativ, so wird nur mit kleiner Wahrscheinlichkeit ein Teilchen dort gemessen. Es entsteht also nach dem Interferometer ein Interferenzmuster.

Falls nun das Teilchen einen Einfluss des Gravitationsfeldes der Erde spürt, so werden die Wege, welche es im Interferometer nehmen kann, dadurch gekrümmt (da das Teilchen ja gewissermassen “fällt”). Dies ist in obigem Bild mit der gestrichelten roten Linie angedeutet. Dadurch befinden sich die Punkte auf dem letzten Gitter, in denen die unterschiedlichen Wege positiv interferieren, nicht mehr an den gleichen Orten: das Interferenzmuster verschiebt sich. Die konkrete Rechnung dazu kann in (Barret et al.) gefunden werden, der Formalismus mit den interferierenden Wegen geht auf keinen geringeren als Richard Feynman zurück.

Durch Bewegen des letzten Gitters kann das Interferenzmuster gescannt werden: falls die Maxima des Interferenzmusters mit den Löchern des Gitters übereinstimmen, so werden viele Teilchen durchgelassen. Falls umgekehrt die Maxima von den Gitterstangen blockiert werden, kommen kaum Teilchen mehr durch. Indem man die Verschiebung des Interferenzmusters für Muonium-Atome im Vergleich zum Interferenzmuster für Lichtteilchen (Photonen) bestimmt, kann das Gravitationsverhalten von Antimaterie ermittelt werden. Da Lichtteilchen keine Masse besitzen, werden sie nämlich vom Gravitationsfeld der Erde nicht beeinflusst. Das Interferenzmuster für Licht kann also als Referenz genommen werden, zu dem alle Interferenzmuster von gravitierenden Teilchen verschoben sind.

Das Geniale am Interferometer ist, dass es die benötigte hohe räumliche Präzision zum Messen des “Falls” von Muonium im Erd-Gravitationsfeld vom Detektor auf das Bewegen des letzten Gitters verlagert. Das letzte Gitter kann mit einem sogenannten Piezoelektrischen Aktor enorm präzise (im Subnanometer-Bereich) bewegt werden. Der Detektor dagegen muss in diesem experimentellen Aufbau bloss die Gesamtanzahl der einfallenden Muonium-Atome als Funktion der Zeit detektieren, seine räumliche Auflösung braucht nicht besonders gut zu sein. Ein Detektor mit einer räumlichen Auflösung im Subnanometer-Bereich wäre völlig undenkbar. 

Muonium-Detektor

Der Muonium-Detektor misst schliesslich die Gesamtzahl der vom Interferometer durchgelassenen Muonium-Atome über deren Zerfälle. Zerfällt ein Muonium-Atom, so entstehen ein langsames Elektron, ein schnelles Positron und zwei Neutrinos (im Grunde zerfällt nämlich einfach das Anti-Muon über die schwache Wechselwirkung). Das Elektron kann mit einem elektrischen Feld zu einer Micro Channel Plate (MCP) bewegt und dort detektiert werden (die MCP ist auf dem Bild oben ganz rechts als blau-schwarze Linie dargestellt). Das Positron wird in einem sogenannten Barrel Scintillating-Fiber Tracking Detektor detektiert.

3D-Darstellung des Barrel Scintillating-Fiber Tracking Detektors (Bild von Antognini et al.)

Kombiniert man die Messungen des Barrel Detektors mit den Messungen des MCP, so kann man herausfinden, ob das gemessene Positron und das gemessene Elektron vom gleichen Event stammen (sprich ob sie irgendwann zur gleichen Zeit am gleichen Ort waren). Nur dann können sie nämlich im selbem Muonium-Zerfall entstanden sein. Dies wird als “Coincidence Technique” bezeichnet. Mit ihr können unerwünschte Hintergrundevents (etwa zerfallende kosmische Muonen) von den zu messenden Muonium-Zerfällen unterschieden werden.

Experiment

Das MAGE Experiment hat viele weitere faszinierende Aspekte: etwa die Muonium-Strahl-Erzeugung, die auf wenige Pikometer (!) genaue Positionierung der Interferometer-Gitter oder die Abschirmung von elektrischen und magnetischen Feldern, um nur einige zu nennen. Dazu ist das Interferometer um die Strahlachse rotierbar. Damit kann festgestellt werden, ob eine Ablenkung der Teilchen tatsächlich aufgrund der Gravitationskraft geschah, oder ob vielleicht doch andere Kräfte das Experiment verfälschen. Interessierten kann ich das Lesen des Papers

Studying Antimatter Gravity with Muonium

empfehlen. Ich finde es ist sehr gut aufgebaut und beschreibt das Experiment sehr detailliert.

Wie auch immer seine Resultate ausschauen werden, das MAGE Experiment wird auf jeden Fall die Wissensgrenzen der modernen Teilchenphysik weiter hinausschieben. Und falls sich tatsächlich ein Unterschied im Gravitationsverhalten zwischen Antimaterie und gewöhnlicher Materie finden liesse, so wäre dies wohl nicht weniger als eine der grössten Sensationen der Physik des 21. Jahrhunderts!

Quellen

  • A. Antognini et al. (MAGE Collaboration): “Studying Antimatter Gravity with Muonium, ” arXiv:1802.01438v2 [physics.ins-det], 2018.
  • B. Barrett et al.: “Mobile and Remote Inertial Sensing with Atom Interferometers,” arXiv:1311.7033v1 [physics.atom-ph], 2013.
  • T.J. Phillips et al. (MAGE and muCool Collaborations): “The Muonium Antimatter Gravity Experiment,” EPJ Web of Conferences, vol. 181, 2018.

Beitragsbild: Experimentierhalle des PSI, psi.ch.

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