Stresstest für Einsteins Schwerkraft-Theorie Myonen im Fall: Trotzen die Teilchen der Gravitation?

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Die Gravitation ist eine der vier Grundkräfte. Doch vielleicht gibt es Teilchen, die ihr entkommen. Das wollen Forschende der ETH Zürich und des Paul-Scherrer-Instituts herausfinden. Sie haben einen Strahl aus exotischen Atomen hergestellt und stellen die Universalität des freien Falls auf die Probe.

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) in Villigen. „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.“

Alle Materie um uns herum – auch wir selbst – besteht aus Protonen, Neutronen und Elektronen. Physiker 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.

Standardmodell der Teilchenphysik

Fundamentale Quantentheorie auf 13 Nachkommastellen überprüft

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 Physikprofessorin Soter. 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.

Quantenflüssigkeit sorgt für Kick

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.

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 so genannte Quantenflüssigkeit, in der die einzelnen Heliumatome ihre Identität verlieren, und die keine Unreinheiten im Innern mag.“

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Wie überprüft man Gravitationswirkung auf Myonen?

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 zeigt sich in 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 so genanntes 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.

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“, schildert die Wissenschaftlerin. 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.“

Originalpublikation: Zhang J, Antognini A, Bartkowiak M, Goeldi D, Kirch K, Knecht A, Taqqu D, Waddy R, Wauters F, Wegmann P, Soter A: Generation of a high-intensity, superthermal muonium beam for gravity and laser spectroscopy experiments. Nature Physics, 14. September 2026; DOI: 10.1038/s41567-026-03433-x