Antimaterie fällt wie Materie, und somit wird die Theorie der Schwerkraft von Einstein bestätigt.

Es ist offiziell: Antimaterie fällt nach unten und nicht nach oben.

In einem bisher einzigartigen Experiment ließen Wissenschaftler Antihydrogen-Atome fallen und beobachteten, wie sie fielen. Dabei zeigte sich, dass die Schwerkraft Antimaterie zur Erde zieht, anstatt sie abzustoßen.

Die Studie bestätigt einen Grundpfeiler von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, der als schwaches Äquivalenzprinzip bekannt ist. Nach diesem Prinzip wirkt die Schwerkraft auf jeden Gegenstand in der gleichen Weise, unabhängig von seiner Zusammensetzung. "Dieses Konzept bildet das Herzstück unseres Verständnisses von Gravitation", sagt der Physiker Ruggero Caravita, der nicht an der neuen Arbeit beteiligt war.

Antimaterie ist das Spiegelbild von Materie und trägt die entgegengesetzte elektrische Ladung, aber die gleiche Masse. Zum Beispiel ist das Antiteilchen eines Elektrons ein positiv geladenes Teilchen, das Positron genannt wird. Das Gegenstück eines Protons ist ein negativ geladenes Antiproton, und so weiter.

Die meisten Physiker haben die Idee, dass Antimaterie nach oben und nicht nach unten fallen könnte, nicht ernsthaft in Betracht gezogen, sagt Jeffrey Hangst von der Universität Aarhus in Dänemark. Aber Wissenschaftler konnten es zuvor noch nie direkt testen. "Antimaterie ist irgendwie mysteriös... also möchten wir dieses Verhalten tatsächlich bestätigen", sagt Hangst, der der Sprecher der Kollaboration Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA) ist, die die neuen Ergebnisse veröffentlicht hat.

Nicht nur fiel die Antimaterie wie erwartet, sondern sie fiel auch mit ungefähr der gleichen Beschleunigung wie normale Materie, fand das Team heraus.

Die in der Nature vom 28. September beschriebenen Ergebnisse zeigen die wachsende Kontrolle der Wissenschaftler über Antimaterie und insbesondere Antihydrogen. Antimaterie ist eine trickreiche Substanz, mit der es schwierig sein kann zu arbeiten. Berührt sie etwas aus Materie - die Wände eines Lagerbehälters oder Moleküle von Luft - vernichtet sie sich schnell. Es hat Jahrzehnte an Arbeit gedauert, um überhaupt irgendwelche Auswirkungen der Schwerkraft auf Antimaterie zu messen, sagt Hangst.

In dem Experiment, das am europäischen Labor CERN in der Nähe von Genf durchgeführt wurde, fingen Wissenschaftler Antihydrogen-Atome mit starken Magnetfeldern ein. Diese Antihydrogen-Atome wurden durch die Kombination von Antiprotonen, die am CERN erzeugt wurden, mit Positronen aus einer radioaktiven Quelle hergestellt.

Die Forscher ließen dann das Antihydrogen aus seinem magnetischen Käfig frei und zählten, wie viele Atome nach oben und wie viele nach unten gingen. Wenn die Schwerkraft Antimaterie und Materie gleich behandelt, sollten die meisten Atome nach unten fallen, während einige aufgrund der anfänglichen Bewegungen der Atome nach oben fliegen. Genau das fanden die Forscher heraus.

"Es ist ein sehr schönes, sehr einfaches Konzept", sagt der theoretische Physiker Yunhua Ding von der Ohio Wesleyan University in Delaware, Ohio, der nicht an der Studie beteiligt war.

Um weiter zu bestätigen, dass sich das Antihydrogen wie erwartet verhielt, änderten die Forscher die magnetischen Felder, um die Atome nach oben zu drücken und die Wirkung der Schwerkraft aufzuheben. Bei diesem Test gingen etwa gleich viele Atome nach oben wie nach unten. Durch weitere Variation der magnetischen Felder entsprachen die Ergebnisse ebenfalls den Erwartungen.

Frühere Experimente deuteten bereits darauf hin, dass die Schwerkraft Materie und Antimaterie gleich behandelt. Im Jahr 2022 berichtete das BASE-Experiment, ebenfalls am CERN, dass Oszillationen von eingeschlossenen Antiprotonen indirekt bestätigten, dass Materie und Antimaterie die gleiche Schwerkraft verspüren (SN: 1/5/22). Aber das Experiment von ALPHA ist das erste, das das Fallen von Antimateriepartikeln direkt beobachtet.

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Die Vorstellung, dass verschiedene Arten von Objekten mit der gleichen Beschleunigung fallen, ist älter als Einstein. Die Legende besagt, dass Galileo im 16. Jahrhundert verschiedene Objekte vom Schiefen Turm von Pisa fallen ließ, um diesen Effekt zu demonstrieren. Wissenschaftler haben ihn seitdem in verschiedenen Situationen getestet, sogar mit Objekten in einer Umlaufbahn um die Erde (SN: 9/14/22). Aber mit Antimaterie wurde der Test bisher noch nicht durchgeführt.

Obwohl Physiker nicht erwarteten, dass Antimaterie nach oben fällt, haben einige Forscher vorgeschlagen, dass Antimaterie mit einer etwas anderen Beschleunigung als normale Materie fallen könnte. "Wenn wir auch den kleinsten Unterschied feststellen, wäre das ein Hinweis darauf, dass etwas Neues passiert", sagt Caravita vom Nationalen Institut für Kernphysik in Trento, Italien, der der Sprecher der Kollaboration AEgIS am CERN ist. AEgIS ist eine von mehreren Experimenten dort, die ebenfalls daran arbeiten, die Auswirkungen der Schwerkraft auf Antimaterie zu messen.

Das aktuelle Experiment ist nicht präzise genug, um diese subtilen Unterschiede aufzudecken. Aber neue Techniken, wie zum Beispiel das Kühlen von Antihydrogen-Atomen mit Lasern, könnten zukünftige Tests genauer machen (SN: 4/5/21). Das könnte den Wissenschaftlern helfen zu sehen, ob die Schwerkraft bezüglich Materie und Antimaterie wirklich neutral ist.

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