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Extrem kalter Myonium-Strahl stellt Einsteins Gravitationstheorie auf die Probe
Ein neu erzeugter Myonium-Strahl ist zugleich intensiv und außergewöhnlich eng gebündelt und könnte damit erstmals einen direkten Gravitationstest mit Teilchen der zweiten Generation ermöglichen. Die Atome entstehen in supraflüssigem Helium und verlassen es mit nahezu gleicher Geschwindigkeit. Gemessen wurde bisher nur die Strahlquelle, der eigentliche Fallversuch mit Myonium soll erst folgen.
Zürich (Schweiz). Das schwache Äquivalenzprinzip besagt, dass verschiedene Körper im selben Gravitationsfeld gleich beschleunigt werden, sofern andere Kräfte ausgeschaltet sind. Für gewöhnliche Materie wurde das extrem präzise geprüft, und auch Antiwasserstoff fällt nach bisherigen Messungen zur Erde. Ein direkter Falltest mit Teilchen der zweiten Generation fehlt jedoch noch.
Myonium eröffnet dafür einen besonderen Zugang. Das exotische Atom besteht aus einem positiv geladenen Antimyon und einem Elektron. Seine Masse wird fast vollständig vom Antimyon getragen, einem Lepton der zweiten Teilchengeneration. Zugleich ist Myonium elektrisch neutral, wodurch störende elektromagnetische Kräfte besser unterdrückt werden können.
Forscher der ETH Zürich um Prof. Dr. Anna Soter haben nun eine neue Quelle für Myonium getestet. Die Messungen liefen an der Schweizer Forschungsinfrastruktur für Teilchenphysik CHRISP am Paul Scherrer Institut (PSI). Dafür haben sie positiv geladene Antimyonen in eine zwei Millimeter dicke Schicht supraflüssigen Heliums geschossen, die auf rund 0,2 Kelvin gekühlt war. Im Helium verbinden sich die Antimyonen mit Elektronen zu Myonium und wandern zur Oberfläche.
„Wir haben einen wichtigen Schritt gemacht, um ein spannendes Experiment zu diesem Thema durchzuführen. Wir wollen messen, wie Myonen mit der Schwerkraft interagieren“, sagt Prof. Dr. Anna Soter.
Beim Austritt aus dem Helium wird das positive chemische Potenzial des Myoniums in Bewegungsenergie umgewandelt. Dadurch verlassen die Atome die Flüssigkeit bevorzugt senkrecht und mit ähnlicher Geschwindigkeit. Die Messungen ergaben eine mittlere Längsgeschwindigkeit von rund 2.180 Metern pro Sekunde. Simulationen, die zu den Messdaten passen, begrenzen die Geschwindigkeitsstreuung auf etwa 80 bis 150 Meter pro Sekunde.
„Wir verwendeten dazu supraflüssiges Helium, das bis nahe an den absoluten Nullpunkt bei minus 273 Grad Celsius abgekühlt wurde. Supraflüssiges Helium ist eine sogenannte Quantenflüssigkeit, in der die einzelnen Heliumatome ihre Identität verlieren, und die keine Unreinheiten im Innern mag“, erklärt Jesse Zhang von der ETH Zürich.
Ein thermisches Strahlmodell konnte die gemessenen Zeitverteilungen deutlich schlechter beschreiben als das Modell eines gerichteten, superthermischen Strahls. Rund 8,2 Prozent der im Helium gestoppten Antimyonen führten zu Myonium, das die Flüssigkeit ins Vakuum verließ. Auf eine leistungsstärkere PSI-Strahllinie hochgerechnet wäre die Myonium-Rate mit den besten bisherigen Raumtemperaturquellen vergleichbar, während die Längsgeschwindigkeitsverteilung deutlich schmaler bliebe.
Für einen Gravitationstest ist diese Kombination aus hoher Intensität und schmaler Geschwindigkeitsverteilung entscheidend. Myonen zerfallen im Mittel schon nach etwa 2,2 Mikrosekunden. Ein Myonium-Atom hat deshalb nur wenig Zeit, um unter dem Einfluss der Erdanziehung eine messbare Verschiebung aufzubauen. Ein diffuser Strahl würde das schwache Signal zusätzlich verwischen.
Das Team plant deshalb ein Interferometer mit drei feinen Gittern. Die Welleneigenschaften der Myonium-Atome erzeugen darin ein Interferenzmuster, das sich durch die Erdanziehung minimal verschieben soll. Auf Basis der gemessenen Strahleigenschaften und projizierter Myonraten rechnen die Autoren damit, die Gravitationsbeschleunigung von Myonium mit einer relativen Genauigkeit von etwa einem Prozent messen zu können. Die Modellrechnung ergibt dafür rund 100 Messtage.