Nach dem Standardmodell der Physik existiert für jede Teilchensorte der normalen Materie auch sein Pendant in Form von Antimaterie. Die Antiteilchen gleichen ihren Materiependants wie Bild und Spiegelbild, haben aber die entgegengesetzte Ladung, beispielsweise beim negativ geladenen Elektron und seinem positiv geladenen Antiteilchen Positron. Trifft Antimaterie auf normale Materie, kommt es zur Annihilation – beide Teilchen löschen sich gegenseitig aus und setzen dabei Energie frei. Unklar war jedoch bisher, wie sich Antimaterie gegenüber der Schwerkraft verhält: Wird sie angezogen wie normale Materie auch? Oder folgt sie einer Art Anti-Schwerkraft und bewegt sich in genau entgegengesetzte Richtung? Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie behandelt alle Formen der Materie gleich, sein schwaches Äquivalenzprinzip, das die Interaktion von Massen mit Gravitation beschreibt, müsste demnach auch für Antimaterie gelten. Allerdings war die Antimaterie im Jahr 1915 noch nicht entdeckt, sie wurde erst 1932 nachgewiesen.
Zwar legen theoretische Modelle und indirekte Schlussfolgerungen aus Experimenten schon länger nahe, dass auch Antimaterie “normal” auf die Gravitation reagiert, direkt experimentell belegen ließ sich dies aber bisher nicht. “Man könnte fragen, warum man nicht einfach das Offensichtliche getan hat und ein Stück Antimaterie fallen gelassen hat – ähnlich wie das Galileo zugeschrieben Fallexperiment mit Blei und Holz”, sagt Co-Autor Joel Fajans von der University of California in Berkeley und Mitglied der ALPHA-Kollaboration am CERN in Genf. “Das Problem ist jedoch, dass die Gravitationskraft so unglaublich schwach ist, verglichen mit elektromagnetischen Kräften.” Schon ein elektrisches Feld von einem Volt pro Meter übt eine 40 Billionen Mal stärkere Kraft auf ein geladenes Antimaterieteilchen aus als die Schwerkraft der Erde. “Bisher war es daher unmöglich, die Gravitationsreaktion beispielsweise eines Positrons mit einem Fallexperiment direkt zu messen, weil jedes elektrische Feld in seiner Umgebung das Antiteilchen weit stärker ablenken würde als die Schwerkraft”, erklärt Fajans.
Antiwasserstoff im Falltest
Das Problem liegt unter anderem darin, dass man lange nur einzelne geladene Antimaterie-Teilchen erzeugen konnte wie Anti-Protonen oder Positronen. Um zu verhindern, dass die Antimaterie mit normaler Materie in Kontakt kommt und ausgelöscht wird, müssen die Teilchen zudem in einer elektromagnetischen Falle in der Schwebe gehalten werden. Doch damit stehen sie unter dem Einfluss elektromagnetischer Felder – und dies verfälscht jede Messung der Gravitationsreaktion. Doch ein Durchbruch, den Physiker der ALPHA-Kollaboration am Forschungszentrum CERN bei Genf im Jahr 2010 erzielten, bot neue Perspektiven: Dem Team war es erstmals gelungen, Anti-Protonen und Positronen zu neutralem Antiwasserstoff zu kombinieren und diesen in einer Magnetfalle zu halten. Davon ausgehend begannen die Physiker anschließend, ein Experiment zu planen und zu konstruieren, dass erstmals eine direkte Messung der Reaktion von Antiwasserstoff auf die Gravitation erlauben sollte.
