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Interferenz-Experiment

Nachweis von Welle-Teilchen-Dualismus auch bei Antimaterie

Die internationale QUPLAS-Kollaboration hat erstmals Interferenzmuster bei Antimaterie nachgewiesen. In Zukunft könnte die Antimaterie-Interferometrie dabei helfen die allgemeine Relativitätstheorie zu belegen und das Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie im Universum zu erklären.

Bern (Schweiz). Die internationale QUPLAS-Kollaboration, dem unter anderem Wissenschaftler der Universität Bern angehören, hat den Welle-Teilchen-Dualismus bei Antimaterie nachgewiesen. Laut einem im Fachmagazin Science Advances veröffentlichtem Forschungsartikel wurde zum Nachweis ein Versuchsaufbau genutzt, der dem klassischen Doppelspaltexperiment ähnelt. Die Wissenschaftler haben so erstmals anhand von Interferenzmuster nachgewiesen, dass sich Antimaterie nicht nur wie Teilchen, sondern auch wie Wellen verhalten.

Der französische Physiker Louis de Broglie hat bereits 1924 postuliert, dass Materie nach den Gesetzen der Quantenphysik nicht nur Eigenschaften von Teilchen, sondern auch von Wellen besitzt. Verschiedene Experimente haben das Wellenverhalten von Materie anhand von Elektronen, Neutronen und komplexer Materie sowie großen Molekülen inzwischen nachgewiesen.

Interferenz-Experiment

Der Welle-Teilchen-Dualismus von Antimaterie konnte ebenfalls bereits mit sogenannten Beugungsexperimenten belegt werden, das Verhalten von Antimateriewellen anhand einzelner Positronen wurde jedoch nun erstmals mit einem Interferenz-Experiment nachgewiesen.

Das sogenannte Doppelspaltexperiment, dessen Grundlagen bereits von Albert Einstein und Richard Feynman erdacht wurden, wird in der Quantenphysik genutzt, um das Wellenverhalten von Teilchen zu untersuchen. Im konkreten Experiment wurde dazu ein Positron aus einer Quelle auf einen Detektor geschossen. Zwischen der Quelle und dem Detektor-Schirm befindet sich eine Platte mit mehreren Spalten, durch die die Teilchen auf ihrem Weg zum Detektor fliegen müssen.

Verhalten sich die abgeschossenen Teilchen dabei wie Teilchen, wird auf dem Detektor ein Muster sichtbar, dessen Streifenanzahl der Anzahl der Spalten gleicht. Bei Teilchen, die sich wie Wellen verhalten, wird stattdessen ein Interferenzmuster sichtbar, das mehr Streifen als Spalten enthält, da sie sich gegenseitig überlagern.

Talbot-Lau-Interferometer

Für den erstmaligen Nachweis eines Interferenzmusters von Antimateriewellen haben die Wissenschaftler ein Talbot-Lau-Interferometer genutzt, bei dem eine Kernemulsionsplatte als ortsempfindlichen Detektor verwendet wird.

Dr. Ciro Pistillo vom Laboratory for High Energy Physics (LHEP) und dem Albert Einstein Center for Fundamental Physics (AEC) der Universität Bern erklären, dass „der Auftreffpunkt der einzelnen Positronen mit der Kernemulsion exakt bestimmt werden kann und dass das Interferenzmuster so auf einen Mikrometer genau rekonstruiert werden konnte.“

Den Wissenschaftlern gelang es so sowohl den Antiteilchenfluss als auch die komplexe Manipulation der Antiteilchen-Strahlung zu überwinden und den Nachweis von Interferenzmustern zu erbringen.

In Zukunft möchten die Wissenschaftler die Gültigkeit des schwachen Äquivalenzprinzips, das eine Grundlage für der allgemeinen Relativitätstheorie ist und bisher auschließlich mit Materie nachgewiesen wurde, anhand von Antimaterie überprüfen. Außerdem kann die Antimaterie-Interferometrie dabei helfen das Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie im Universum zu erklären.

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