Obwohl dies vorläufige Daten sind, glauben Wissenschaftler, dass wiederholte Messungen ihre ersten Ergebnisse bestätigen werden.
Physiker des am CERN ansässigen ALPHA-Projekts präsentierten die ersten Daten zu Messungen der Feinstruktur des Spektrums von Antimaterieteilchen, aus denen Rückschlüsse auf die Struktur ihrer Quantenenergieniveaus gezogen werden können. Dabei stellte sich heraus, dass es der gewöhnlichen Materie ähnlich ist, schreiben Wissenschaftler in einem Artikel, der von der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde.
„Die Entdeckung von Unstimmigkeiten in den Eigenschaften von Materie und Antimaterie wird die Grundlage des Standardmodells buchstäblich erschüttern. Diese Messungen haben uns geholfen, unseren lang gehegten Traum zu verwirklichen und einige Aspekte der Wechselwirkung von Antimaterie mit dem umgebenden Raum zu untersuchen, einschließlich der Messung der Verschiebung seiner niedrigeren Energieniveaus “, kommentierte Jeffrey Hangst, offizieller Vertreter des ALPHA-Projekts.
Kosmologen schlagen vor, dass im Universum in den ersten Augenblicken seines Lebens Materie und Antimaterie ungefähr gleich waren. Alle chemischen und physikalischen Eigenschaften ihrer Teilchen mit Ausnahme der Ladung mussten gleich sein - es sei denn, das Standardmodell ist natürlich unvollständig oder fehlerhaft (diese Theorie beschreibt die meisten Wechselwirkungen aller der Wissenschaft derzeit bekannten Elementarteilchen).
Dies widerspricht jedoch der Existenz der Realität, da sich alle Materieteilchen und Antimaterie gegenseitig zerstören mussten, in den ersten Augenblicken nach dem Urknall kollidierten und sich gegenseitig vernichteten. Daher streiten sich Wissenschaftler seit vielen Jahrzehnten und fragen sich, warum es im beobachtbaren Universum praktisch keine Antimaterie gibt.
Viele Physiker glauben, dass die Antwort auf dieses Rätsel in den geringsten Unterschieden in den Eigenschaften, dem Verhalten und der Struktur der Antimaterie- und Materieteilchen liegt. Wissenschaftler haben kürzlich viele Hinweise gefunden, dass solche Diskrepanzen beispielsweise in der Masse der Protonen und Antiprotonen bestehen können. Physiker haben jedoch noch keinen von ihnen bestätigt.
Hangst und seine Kollegen versuchen seit vielen Jahren, sie mit dem ALPHA-2-Instrument zu finden, einer speziellen Magnetfalle für Positronen und Antiprotonen, die sie zwingt, einzelne Antimaterie-Atome zu kombinieren und zu bilden. Die ersten Messungen dieser Art, die Wissenschaftler in den Jahren 2012, 2016 und 2018 durchgeführt haben, zeigten, dass es keinen Unterschied in der Art und Weise gibt, wie Licht Elektronen und Positronen in Atomen von Antimaterie und Materie anregt.
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Geheimnisse der Antimaterie
In einer neuen Versuchsreihe haben CERN-Wissenschaftler erstmals die sogenannte Lammverschiebung für Antimaterie gemessen. Dies nennen Wissenschaftler kleine Unterschiede darin, wo sich zwei spezifische Energieniveaus innerhalb des Atoms, 2s und 2p, befinden. Nach der Theorie sollte ihre Position übereinstimmen, aber in Wirklichkeit ist dies nicht so - sie erweisen sich als relativ zueinander verschoben.
Das Vorhandensein dieser Lücke beruht auf der Tatsache, dass Materieteilchen und Antimaterie auf Quantenebene ständig mit Paaren virtueller Teilchen und Antiteilchen interagieren, die kontinuierlich geboren werden und im Vakuum verschwinden. Spuren davon sind in der sogenannten "Feinstruktur" des Atoms zu sehen, einer Reihe schmaler Bänder im Spektrum, in die theoretisch vorhergesagte Energieniveaus aufgeteilt werden.
Die Mitglieder des ALPHA-Projekts untersuchten zunächst die Struktur dieses Satzes von Linien, indem sie 90.000 Antiwasserstoffatome durch ein starkes Magnetfeld führten, sie dann mit einem Ultraviolettlaser bestrahlten und beobachteten, wie sich ihr Spektrum dadurch veränderte. Die Wissenschaftler verwendeten diese Daten, um die Lammverschiebung der Antimaterie zu berechnen und mit einem ähnlichen Parameter für Wasserstoff zu vergleichen.
Im Allgemeinen stimmten die erhaltenen Werte mit Messungen für gewöhnliche Materie und mit den Ergebnissen theoretischer Berechnungen überein, bei denen Quanteneffekte berücksichtigt wurden. Wie Hangst betont, sind diese Daten noch vorläufig, aber bereits jetzt können wir sagen, dass Messungen der konstanten Struktur nicht um mehr als 2% und die Lammverschiebung um mehr als 11% von den Vorhersagen der Theorie abweichen können.
In naher Zukunft planen ALPHA-Mitglieder, genauere Messungen durchzuführen, indem die Antiwasserstoffatome auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden. Wissenschaftler hoffen, dass diese Beobachtungen endlich bestätigen werden, dass die Werte der Lammverschiebung für Materie und Antimaterie gleich sind und dass sie den Physikern helfen werden, den Radius des Antiproton genau zu messen.
