Im Jahr 1924 schlug der französische Physiker Louis de Broglie vor, dass sich Photonen – das subatomare Teilchen, aus dem Licht besteht – sich sowohl als Teilchen als auch als Welle verhalten. Diese als 'Teilchen-Wellen-Dualität' bekannte Eigenschaft wurde getestet und gilt für andere subatomare Teilchen (Elektronen und Neutronen) sowie größere, komplexere Moleküle.
Vor kurzem ein Experiment durchgeführt von Forschern mit dem QUantum-Interferometrie und Gravitation mit Positronen und LAsern (QUPLAS) hat gezeigt, dass diese Eigenschaft auch für Antimaterie gilt. Dies geschah mit der gleichen Art von Interferenztest (auch bekannt als Doppelspaltexperiment), der den Wissenschaftlern half, die Teilchen-Wellen-Dualität überhaupt vorzuschlagen.
Die Studie, die die Ergebnisse des internationalen Teams beschreibt, erschien kürzlich im Wissenschaftliche Fortschritte . Die Studie wurde von Simone Sala, einer Doktorandin der Universität Mailand, geleitet und umfasste Mitglieder des National Institute of Nuclear Physics (INFN), des Albert Einstein Center for Fundamental Physics, der Polytechnischen Universität Mailand und der Universität Neapel Federico II.
In der Vergangenheit wurde der Teilchen-Wellen-Dualität durch eine Reihe von Beugungsexperimenten nachgewiesen. Das Forscherteam von QUPLAS ist jedoch das erste, das das Wellenverhalten in einem einzelnen Positronen-Interferenzexperiment (dem Antiteilchen des Elektrons) untersucht hat. Damit demonstrierten sie die Quantennatur der Antimaterie auf eine Weise, die von Physikern wie Albert Einstein und Richard Feynman vorgeschlagen wurde.
Das Experiment umfasste einen ähnlichen Aufbau wie das Doppelspaltexperiment, bei dem Teilchen von einer Quelle durch ein Gitter mit zwei Schlitzen von einer Quelle auf einen ortsempfindlichen Detektor geschossen werden. Während geradlinig wandernde Partikel ein dem Gitter entsprechendes Muster erzeugen würden, würden sich wellenartig bewegende Partikel ein streifenförmiges Interferenzmuster erzeugen.
Das Experiment bestand aus einer verbesserten Periodenvergrößerung Talbot-Lau-Interferometer , einen kontinuierlichen Positronenstrahl, ein mikrometrisches Gitter und einen positionsempfindlichen Kernemulsionsdetektor. Mit diesem Aufbau konnte das Forschungsteam erstmals ein Interferenzmuster erzeugen, das einzelnen Antimaterie-Teilchenwellen entsprach.
Als Dr. Ciro Pistillo – Forscher am Laboratory of High Energy Physics (LHEP), Albert Einstein Center (AEC) der Universität Bern und Co-Autor der Studie – erklärt in einer Nachrichtenmeldung der Universität Bern:
„Mit der nuklearenEmulsionenkönnen wir den Auftreffpunkt einzelner Positronen sehr genau bestimmen und können so deren interferometrisches Muster mikrometrisch genau rekonstruieren – also besser alsmillionstevon einem Meter.“
Das QUPLAS-Antimaterie-Experiment bei . Credit: Universität Bern
Diese Funktion ermöglichte es dem Team, die Haupteinschränkungen von Antimaterie-Experimenten zu überwinden, die aus einem geringen Antiteilchenfluss und einer geringen Komplexität der Strahlmanipulation bestehen. Dadurch konnte das Team erfolgreich den quantenmechanischen Ursprung von Antimaterie und die Wellennatur von Positronen nachweisen. Der Erfolg des Experiments wird auch den Weg für Untersuchungen zur Antimaterie-Interferometrie ebnen.
Zum Beispiel könnten Gravitationsmessungen mit exotischen symmetrischen Materie-Antimaterie-Atomen (wie Positronium) durchgeführt werden. Dies würde es Wissenschaftlern ermöglichen, die Theorie der Ladungs-, Paritäts- und Zeitumkehrsymmetrie (CPT) zu testen; und im weiteren Sinne das schwache Äquivalenzprinzip für Antimaterie – ein Prinzip, das das Herzstück der Allgemeinen Relativitätstheorie bildet, aber noch nie mit Antimaterie getestet wurde.
Weitere Experimente mit Antimaterie-Interferometrie könnten auch der brennenden Frage nachgehen, warum es im Universum ein Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie gibt. Dank dieses Durchbruchs warten diese und andere grundlegende Mysterien darauf, weiter untersucht zu werden!
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