Neuartiger Teilchenstrahl könnte Einsteins Schwerkraft-Theorie ins Wanken bringen

Wirkt die Schwerkraft auf sämtliche Teilchen im Universum gleich oder gibt es Unterschiede zwischen normaler und exotischer Materie? Mit dieser Frage beschäftigen sich Anna Soter und ihr Team an der ETH Zürich und dem Paul Scherrer Institut PSI. «Wir haben einen wichtigen Schritt gemacht, um ein spannendes Experiment zu diesem Thema durchzuführen», sagt die Physikprofessorin. «Wir wollen messen, wie Myonen mit der Schwerkraft interagieren.»

Dafür nutzt das Forschungsteam ein exotisches Atom namens Myonium. Es ähnelt einem Wasserstoffatom, doch in seinem Kern steckt kein Proton, sondern ein Antimyon.

Alle Materie um uns herum - auch wir selbst - besteht aus Protonen, Neutronen und Elektronen. Forschende nennen das die erste Teilchengeneration. Daneben gibt es zwei weitere Generationen mit schwereren Teilchen. Das Myon zum Beispiel ist der schwerere Bruder des Elektrons und zählt zur zweiten Generation.

Am PSI erzeugen Forschende Myonen und ihre Antiteilchen künstlich in einem grossen Teilchenbeschleuniger. Verbindet sich ein positiv geladenes Antimyon mit einem negativ geladenen Elektron, entsteht daraus ein neutrales Myonium-Atom.

Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt die Generationsstruktur der Materie. «Doch wir Physikerinnen und Physiker verstehen noch nicht, warum es diese zusätzlichen Generationen überhaupt gibt», sagt Soter. «Und warum sind es insgesamt drei?» Besonders spannend ist auch die Frage, ob sich die zunehmenden Massen der Teilchen der zweiten und dritten Generationen in Bezug auf die Schwerkraft genauso verhalten, wie man es von den leichteren Teilchen der ersten Generation kennt.

Rätselhaftes Äquivalenzprinzip

Für die gewöhnliche Materie gilt, dass an einem bestimmten Ort in einem Gravitationsfeld alle Körper gleich schnell fallen. Diese Universalität des freien Falles erkannten bereits Galileo Galilei und Isaac Newton, und als Äquivalenzprinzip von schwerer und träger Masse ist sie ein Eckpfeiler von Albert Einsteins Gravitationstheorie.

Dieses rätselhafte Prinzip konnte bisher jedoch nur bei normaler Materie beziehungsweise Antimaterie der ersten Generation nachgewiesen werden. Mit der Gravitationsmessung von Myonium würden die Forschenden erstmals untersuchen, wie ein Teilchen der zweiten Generation fällt. «Das exotische Myonium eignet sich dazu sehr gut, weil es ein neutrales Atom ist», erklärt Soter. «Denn zum Fallenlassen braucht es etwas Neutrales.» Bei einem geladenen Teilchen würde der schwache Effekt der Schwerkraft von elektromagnetischen Streufeldern überdeckt.

Doch es gibt auch grosse Schwierigkeiten: Myone zerfallen sehr schnell, nach nur 2,2 Mikrosekunden. Und bisherige Myonium-Quellen erzeugten Atome, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in viele Richtungen flogen und deshalb für präzise Experimente ungeeignet waren.

An der Schweizer Forschungsinfrastruktur für Teilchenphysik CHRISP am PSI gelang den Forschenden nun ein Durchbruch. «Wir haben es geschafft, die Myonium-Atome in einem kalten Zustand zu erzeugen, der das Gravitationsexperiment erst möglich macht», sagt Soter. ««Kalt» bedeutet in diesem Fall, dass sich die Atome mit ähnlicher Geschwindigkeit fast parallel zueinander ausbreiten.»

Der neue Myonium-Strahl ist zudem aussergewöhnlich intensiv - was für präzise Messungen entscheidend ist. Um die Schwerkraft zu messen, beobachten Forschende, wie Atome fallen. Doch die Wirkung der Schwerkraft ist so winzig, dass die Atome eine möglichst lange Zeit fallen müssen, um eine präzise Messung zu ermöglichen. «Da Myonium-Atome eine so kurze Lebensdauer haben, müssen wir mit einer grossen Anzahl beginnen, damit genügend von ihnen lange genug überleben, um nach einigen Mikrosekunden Fallzeit gemessen werden zu können», erklärt Soter.

Quantenflüssigkeit sorgt für Kick

Dies gelang mithilfe einer neuen Methode zur Erzeugung der Myonium-Atome, wie die Forschenden im Fachjournal Nature Physics berichten. «Wir verwendeten dazu supraflüssiges Helium, das bis nahe an den absoluten Nullpunkt bei minus 273 Grad Celsius abgekühlt wurde», erklärt Jesse Zhang, Erstautor der Studie. «Supraflüssiges Helium ist eine sogenannte Quantenflüssigkeit, in der die einzelnen Heliumatome ihre Identität verlieren, und die keine Unreinheiten im Innern mag.»

Die Methode: Die im PSI-Beschleuniger erzeugten Antimyonen werden in eine dünne Schicht supraflüssiges Helium geschossen und dort abgebremst. Trifft ein Antimyon im Helium auf ein freies Elektron, entsteht ein Myonium-Atom mit einem positiven chemischen Potenzial und wird quasi aus der Flüssigkeit hinausgedrängt. Erreicht das Myonium die Oberfläche, wird das chemische Potenzial in kinetische Energie umgewandelt. Das Atom erhält einen Kick und schiesst senkrecht aus der Flüssigkeit heraus. «Wir nutzen das chemische Potenzial also als Atomkanone», erklärt Zhang.

Entscheidend dabei ist, dass sich die Myonium-Atome mit einer bestimmten Geschwindigkeit und ohne Kollisionen ungehindert durch die Quantenflüssigkeit bewegen können, sonst würden sie mit ihrer extrem kurzen Lebensdauer gar nicht zur Oberfläche gelangen. «Für unsere Experimente sind wir zudem auf den Teilchenbeschleuniger des PSI angewiesen. Er erzeugt die weltweit intensivsten, kontinuierlichen Myonen-Strahlen», sagt Soter. «Dank dieser hochwertigen Quelle können sehr viele Myonium-Atome entstehen.»

Erdanziehung verschiebt Interferenzmuster

In einem nächsten Schritt entwickeln die Forschenden nun die Apparatur, mit der sie die Wirkung der Schwerkraft auf den Myonium-Strahl messen wollen - ein sogenanntes Interferometer. Es nutzt die Welleneigenschaften der Atome, um ein Interferenzmuster zu erzeugen. Die winzige Verschiebung dieses Musters durch die Erdanziehung ermöglicht es, die Gravitationswirkung auf Myone zu bestimmen. «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.

Der neue Myonium-Strahl soll zudem auch neue Experimente in der Laserspektroskopie ermöglichen. So könnte man Myonium viel präziser vermessen als bisher. Dies würde Rückschlüsse auf die Masse des Myons und fundamentale Naturkonstanten erlauben, was ebenfalls ein künftiges Ziel der Forschungsgruppe ist.

In Zukunft soll der Myonium-Strahl noch intensiver werden. Mit den neuen High Intensity Muon Beams (HIMB), die Teil des IMPACT-Upgrades am PSI sind, werden die Forschenden einen Strahl mit hundertmal mehr Myonium-Atomen erzeugen können als bisher. Damit können Soter und ihr Team die Empfindlichkeit des Gravitationsexperiments weiter erhöhen. «Das ist eine sehr spannende Entwicklung für Präzisionsmessungen, da unsere Messung statistisch begrenzt ist», sagt Soter.

Doch was, wenn die Schwerkraft auf das exotische Atom anders wirkt als auf die gewöhnliche Materie? «Dies wäre tatsächlich überraschend, und neben anderen Theorien könnte dies auf die Existenz einer fünften Kraft hindeuten», sagt Soter. Bislang geht die Physik von vier fundamentalen Wechselwirkungen aus: Gravitation, Elektromagnetismus, starke und schwache Wechselwirkung. Eine fünfte Kraft wurde zwar immer wieder propagiert, doch noch nie nachgewiesen.

Ein solcher Nachweis ist aber nicht Soters primäres Ziel: «Ich bin völlig unvoreingenommen», sagt sie. «Ich möchte einfach erstmals messen, ob die Äquivalenz zwischen Gravitations- und Trägheitsmasse auch für die zweite Teilchengeneration gilt - allein dies ist eine ziemlich inspirierende Arbeit.»

Diese Forschung wird unterstützt durch den Nationalen Forschungsschwerpunkt Muoniverse.

Text: Erstellt auf der Grundlage eines Artikels der ETH Zürich/Barbara Vonarburg

Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Zukunftstechnologien, Energie und Klima, Health Innovation und Grundlagen der Natur. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2300 Mitarbeitende und ist damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 450 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL.

Kontakt

Prof. Dr. Anna Soter
PSI Center for Neutron and Muon Sciences
Paul Scherrer Institut PSI
+41 56 310 50 47
[email protected]; [email protected]

Originalveröffentlichung

Synthesis of a high intensity, superthermal muonium beam for gravity and laser spectroscopy experiments.
J. Zhang, A. Antognini, M. Bartkowiak, D. Goeldi, K. Kirch, A. Knecht, D. Taqqu, R. Waddy, F. Wauters, P. Wegmann & A. Soter
Nature Physics, 14.09.2026 (online)
DOI: 10.1038/s41567-026-03433-x

Zur Medienmitteilung