Die genaueste Messung der Antimaterie schärft das Geheimnis, warum wir existieren

Wissenschaftler haben bisher die genaueste Messung von Antimaterie durchgeführt, und die Ergebnisse vertiefen nur das Geheimnis, warum das Leben, das Universum und alles darin existiert.

Die neuen Messungen zeigen, dass sich Antimaterie und Materie mit einem Höchstmaß an Präzision identisch verhalten.

Doch diese neuen Messungen können keine der größten Fragen in der Physik beantworten: Warum, wenn gleiche Teile Materie und Antimaterie während des Urknalls gebildet wurden, besteht unser Universum heute aus Materie?

Universum im Gleichgewicht

Unser Universum basiert auf dem Gleichgewicht der Gegensätze. Für jede Art von "normalem" Teilchen, das aus Materie besteht, gibt es ein konjugiertes Antiteilchen derselben Masse, das die entgegengesetzte elektrische Ladung gleichzeitig erzeugt. Elektronen haben entgegengesetzte Antielektronen oder Positronen; Protonen haben Antiprotonen; und so weiter. [Die 18 größten ungelösten Mysterien in der Physik]

Wenn Materie und Antimaterieteilchen zusammentreffen, vernichten sie sich jedoch und hinterlassen nur übrig gebliebene Energie. Physiker gehen davon aus, dass es beim Urknall gleiche Mengen an Materie und Antimaterie gegeben haben sollte, und beide hätten die gegenseitige Zerstörung des anderen sichergestellt und ein Baby-Universum hinterlassen, das die Bausteine ‚Äč‚Äčdes Lebens (oder irgendetwas, wirklich) beraubt hätte. 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 also - wenn Antimaterie und Materie sich genauso verhalten - überlebte ein Typ der Materie den Urknall und der andere nicht?

Eine der besten Möglichkeiten, diese Frage zu beantworten, besteht darin, die fundamentalen 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 am neuen beteiligt war Forschung. Wenn es eine geringfügige Abweichung zwischen den Eigenschaften der Materie und den korrelierten Antimaterieeigenschaften gibt, könnte dies der erste Hinweis auf die Lösung der größten Physik der Physik sein. (Im Jahr 2017 fanden Wissenschaftler einige geringfügige Unterschiede in der Art und Weise, wie sich einige Antimaterie-Partner verhalten, aber die Ergebnisse waren statistisch nicht stark genug, um als Entdeckung zu gelten.)

Aber wenn Wissenschaftler Antimaterie manipulieren wollen, müssen sie es mühsam schaffen. In den letzten Jahren haben sich einige Physiker mit der Untersuchung von Antiwasserstoff beschäftigt, weil Wasserstoff "eines der Dinge ist, die wir im Universum am besten verstehen", sagte Co-Autor Jeffrey Hangst, Physiker an der Universität Aarhus in Dänemark, gegenüber Live Science . Das Herstellen von Antiwasserstoff umfasst typischerweise Mischen von 90.000 Antiprotonen mit 3 Millionen Positronen, um 50.000 Antiwasserstoffatome zu erzeugen, von denen nur 20 mit Magneten in einer 11 Zoll langen (28 Zentimeter) zylindrischen Röhre für weitere Untersuchungen gefangen werden.

Jetzt hat Hangsts Team in einer neuen Studie, die heute (4. April) in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, einen beispiellosen Standard erreicht: Sie haben die genaueste Messung von Antiwasserstoff - oder jeglicher Art von Antimaterie - bis heute durchgeführt. In 15.000 Wasserstoffatomen (man denke etwa 750-mal an den erwähnten Mischprozess) untersuchten sie die Lichthäufigkeit, die die Atome emittieren oder absorbieren, wenn sie von einem niedrigeren zu einem höheren Energiezustand springen. [Jenseits von Higgs: 5 schwer fassbare Teilchen, die im Universum lauern könnten]

Die Messungen der Forscher zeigten, dass die Energieniveaus der Antiwasserstoffatome und die absorbierte Lichtmenge mit ihren Pendants aus Wasserstoff mit einer Genauigkeit von 2 Teilen pro Billion übereinstimmen, was die vorherige Messgenauigkeit in der Größenordnung von Teilen pro Milliarde drastisch verbessert.

"Es ist sehr selten, dass Experimentatoren es schaffen, die Genauigkeit um den Faktor 100 zu erhöhen", sagte Ulmer gegenüber Live Science. Er glaubt, dass, wenn Hangsts Team die Arbeit für weitere 10 bis 20 Jahre fortsetzt, sie in der Lage sein werden, ihre Präzision in der Wasserstoffspektroskopie um weitere 1000 zu erhöhen.

Für Hangst - der Sprecher der ALPHA-Kollaboration bei der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN), die diese Ergebnisse hervorbrachte - war diese Errungenschaft Jahrzehnte lang im Entstehen.

Das Einfangen und Halten von Antimaterie sei eine große Leistung, sagte Hangst.

"Vor zwanzig Jahren dachten die Leute, dies würde niemals passieren", sagte er. "Es ist eine experimentelle Tour de Force, um das überhaupt zu können."

Die neuen Ergebnisse sind sehr beeindruckend, sagte Michael Doser, ein Physiker am CERN, der nicht an der Arbeit beteiligt war, in einer E-Mail an Live Science.

"Die Anzahl der eingeschlossenen Atome für diese Messung (15.000) ist eine enorme Verbesserung gegenüber den eigenen Aufzeichnungen von [Hangst's Gruppe] vor nur wenigen Jahren", sagte Doser.

Was sagt uns also die genaueste Messung von Antimaterie? Nun, leider nicht viel mehr als wir schon 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 die Möglichkeit nicht ausschließt, dass etwas zwischen den beiden Arten von Materie mit einer noch höheren Präzision abweicht, die bisher der Messung widersprochen hat.

Was Hangst betrifft, ist er weniger damit beschäftigt, die Frage zu beantworten, warum unser Universum der Materie so existiert wie ohne Antimaterie - was er "der Elefant im Raum" nennt. Stattdessen wollen er und seine Gruppe sich darauf konzentrieren, noch genauere Messungen durchzuführen und zu erforschen, wie Antimaterie mit der Schwerkraft reagiert - fällt sie wie normale Materie herunter oder könnte sie auffallen?

Und Hangst glaubt, dass dieses Rätsel noch vor Ende 2018 gelöst werden könnte, wenn das CERN für zwei Jahre wegen Upgrades abgeschaltet wird. "Wir haben andere Tricks auf Lager", sagte er. "Bleib dran."

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