Atomkanone aus Helium: Forscher bauen Teilchenstrahl, der Einstein auf die Probe stellt
Fallen Teilchen der zweiten Materiegeneration genauso wie Hammer und Feder? Bisher fehlte der Strahl, um das zu messen. ETH-Physiker haben ihn jetzt entwickelt.
Erstautor Jesse Zhang (links) und Doktorand Paul Wegmann verkabeln den Detektor im Kühlaggregat. Die vergoldeten Kupferstufen bringen die Heliumkammer auf 0,2 K, und dort müssen auch Szintillatoren und Elektronik noch funktionieren.
Foto: Anna Soter / ETH Zürich
Ein Hammer und eine Feder fallen gleich schnell. Auf dem Mond hat Apollo-Astronaut David Scott das 1971 bewiesen. Das dahinterliegende Äquivalenzprinzip ist ein Fundament von Einsteins Relativitätstheorie und auf ein Billiardstel genau bestätigt. Bisher nutzte man dabei immer nur gewöhnliche Materie, 2023 auch Antiwasserstoff. An den schwereren Teilchen der zweiten Generation, etwa Myonen, hat allerdings noch nie jemand die Schwerkraft direkt getestet. Denn das Myon zerfällt nach 2,2 µs und ist damit zu flüchtig für jedes Fallexperiment.
Physiker der ETH Zürich und des Paul Scherrer Instituts (PSI) haben nun aber nach eigenen Angaben erstmals einen kalten, gebündelten Strahl aus Myonium-Atomen erzeugt. Die Quelle ist eine dünne Schicht supraflüssiges Helium bei 0,2 K.
„Wir haben es geschafft, die Myonium-Atome in einem kalten Zustand zu erzeugen, der das Gravitationsexperiment erst möglich macht“, erklärt Projektleiterin Anna Soter von der ETH Zürich in einer Pressemitteilung vom 15.9. Was genau wollen die Forscher nun beweisen, und warum war so ein Strahl bisher unmöglich?
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Was ist Myonium?
Myonium ist Wasserstoff mit einem anderen Kern. Statt eines Protons sitzt in der Mitte ein positiv geladenes Antimyon, um das ein Elektron kreist. Das Atom ist elektrisch neutral, und seine Masse steckt zu 99,5 % im Antimyon. Wer Myonium fallen lässt, prüft also, ob die Schwerkraft an einem Teilchen der zweiten Generation genauso zieht wie an gewöhnlicher Materie. „Denn zum Fallenlassen braucht es etwas Neutrales“, sagt Soter. Bei geladenen Teilchen würden schon schwächste elektrische Streufelder den winzigen Effekt der Gravitation überdecken.
Dass niemand das Experiment bisher gemacht hat, hat vor allem zwei Gründe:
- Die geringe Lebensdauer. In 2,2 µs fällt ein Atom nur rund 0,02 nm weit, weniger als seinen eigenen Durchmesser. Messbar wird die Schwerkraft aber erst mit einem Interferometer, das die Welleneigenschaften der Atome nutzt. Das funktioniert nur mit vielen Atomen, die alle dieselbe Geschwindigkeit und dieselbe Richtung haben.
- Die Quellen. Bisher entstand Myonium in porösem Siliziumdioxid oder Aerogel. Nur wenige Prozent der Atome erreichen die Oberfläche, und die kommen als heiße Wolke heraus. Sie sind dabei unterschiedlich schnell und streben in alle Richtungen. Wer daraus einen Strahl schneiden will, verliert fast alle Atome. Kühlt man das Material, sinkt die Ausbeute rapide. Unter 100 K kommt laut der Studie praktisch nichts mehr heraus.
Eine dichte, kalte und trotzdem ergiebige Quelle galt deshalb lange als unerreichbar.
Atomkanone: Warum supraflüssiges Helium Myonium hinauswirft
Die Lösung ist eine Flüssigkeit, die keine Fremdkörper in sich duldet. Supraflüssiges Helium bei 0,2 K ist eine solche Quantenflüssigkeit, in der einzelne Atome ihre Identität verlieren. Verunreinigungen drängt sie nach außen. Für Myonium gilt das laut Studie besonders stark: Das Atom hat im Helium ein positives chemisches Potenzial von rund 2,8 meV. An der Oberfläche wandelt sich diese Energie in Bewegung um, und das Atom schießt senkrecht heraus. „Wir nutzen das chemische Potential also als Atomkanone“, sagt Erstautor Jesse Zhang.
So lief der Versuch ab:
- Antimyonen aus dem Beschleuniger werden um 30° nach unten gelenkt und in eine 2 mm dicke Heliumschicht geschossen. Im Mittel bleiben sie 35 µm unter der Oberfläche stecken.
- Dort fangen sie ein Elektron aus ihrer eigenen Ionisationsspur ein und werden zu Myonium.
- Das Atom wandert in etwa 2 µs praktisch ohne Stöße zur Oberfläche, weil bei dieser Temperatur kaum noch Phononen existieren, an denen es streuen könnte.
- Beim Austritt bekommt es den Kick: 2180 m/s senkrecht nach oben, mit einer Streuung von höchstens 150 m/s.
Nachgewiesen haben die Forscher das über den Zerfall der Antimyonen. Positronen aus dem Zerfall trafen auf 16 Szintillatorstäbe neben der Kammer, in vier Höhenschichten. Das Signal wanderte von Schicht zu Schicht nach oben, bei leerer Kammer blieb es flach.
| Quelle | Temperatur | Ausbeute pro gestopptem Myon | Myonium pro Sekunde (hochgerechnet) |
| Aerogel | 300 K | 3,05 % | 335.000 |
| SiO₂-Film | 100 K | 20 % | 600 |
| Supraflüssiges Helium (ETH/PSI) | 0,2 K | 8,2 % | 98.000 |
Tab. 1: Vergleich der Myonium-Quellen laut Studie. Die Raten sind auf die PSI-Strahllinie πE5 hochgerechnet, gemessen wurde an der schwächeren πE1 mit rund 15.000 Myonen pro Sekunde.
Die Heliumquelle liefert also ähnlich viele Atome wie das beste Aerogel, aber mit einer zehnmal schmaleren Geschwindigkeitsverteilung als die kältesten bisherigen Quellen. Für ein Interferometer zählt vor allem Letzteres.
Die Studie nennt hier aber zwei Einschränkungen:
- Das Helium musste isotopenrein sein, mit weniger als einem Helium-3-Atom auf eine Billion Helium-4-Atome. Mit handelsüblichem Reinstgas kam kein einziges Myonium heraus.
- Die 98.000 Atome pro Sekunde wurden bislang nur errechnet und nicht gemessen.
Für den Fallversuch fehlt die Waage
Gemessen wird der freie Fall mit einem Interferometer aus drei Gittern. Die ersten beiden beugen den Strahl und erzeugen am dritten ein Streifenmuster, das die Schwerkraft während der Flugzeit minimal nach unten verschiebt. Laut Studie liegt der Gitterabstand bei 9,6 mm, die Gitterperiode bei 100 nm und die Flugzeit bei 4,5 µs. Mit den hochgerechneten Raten der πE5-Strahllinie wäre die Erdbeschleunigung des Myoniums in rund 100 Tagen Strahlzeit auf 1 % genau bestimmbar.
Vorher ist aber Konstruktionsarbeit nötig. Der Strahl tritt bisher senkrecht nach oben aus, für den Fallversuch muss er waagerecht fliegen. Das Team arbeitet laut Studie an nanostrukturierten Siliziumträgern, die die Heliumschicht per Kapillarkraft auch vertikal halten sollen. „Wir hoffen, dass wir dieses Jahr die Methode erstmals mit dem Atomstrahl testen können, und wenn alles gut läuft, sollte das eigentliche Gravitationsexperiment dann in zwei oder drei Jahren folgen“, sagt Soter.
Ein zweites Ziel liegt näher: Weil der Strahl kompakt bleibt, könnte ein Laser laut Studie rund 800-mal mehr Myonium-Atome anregen als bei bisherigen Quellen. Damit ließe sich die Masse des Myons deutlich genauer bestimmen, eine Größe, an der auch die Rätsel um das magnetische Moment des Myons hängen.
Fiele Myonium anders als gewöhnliche Materie, wäre das laut Soter ein möglicher Hinweis auf eine hypothetische „fünfte Kraft“. Hinweise darauf gab es schon öfter, keiner hat sich bislang bestätigt. Soter selbst sagt, sie wolle einfach erstmals messen, ob das Äquivalenzprinzip auch für die zweite Teilchengeneration gilt. In Villigen gibt es nun ein Werkzeug dafür.
- ETH Zürich, Pressemitteilung vom 15.9.2026: Neuartiger Teilchenstrahl könnte Einsteins Schwerkraft-Theorie ins Wanken bringen
- Zhang, J. et al.: Generation of a high-intensity, superthermal muonium beam for gravity and laser spectroscopy experiments. Nature Physics, 14.9.2026, DOI 10.1038/s41567-026-03433-x
- CERN, Pressemitteilung vom 27.9.2023: ALPHA experiment at CERN observes the influence of gravity on antimatter
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