Influenţa gravitaţiei asupra antimateriei a fost testată experimental

O substanță numită antimaterie se află în centrul unuia dintre cele mai mari mistere ale universului. Știm că fiecare particulă are un însoțitor de antimaterie care este practic identic cu ea însăși, dar cu sarcină electrică opusă. Atunci când o particulă și antiparticula ei se întâlnesc, ele se anihilează reciproc dispărând într-o explozie de lumină.

Înțelegerea noastră actuală a fizicii prezice că în timpul formării universului s-ar fi creat cantități egale de materie și antimaterie. Dar acest lucru nu pare să se fi întâmplat, deoarece ar fi dus imediat la anihilarea tuturor particulelor.

În schimb, există o mulțime de materie în jurul nostru, dar foarte puțină antimaterie – chiar și în adâncul spațiului cosmic. Această enigmă a condus la căutarea unor erori în teorie sau la găsirea unor alte explicaţii pentru lipsa antimateriei.

O astfel de abordare s-a concentrat pe gravitație. Poate că antimateria se comportă diferit sub acţiunea gravitației. Ar putea fi aceasta trasă într-o direcția opusă materiei? Dacă da, atunci am putea fi, pur și simplu, într-o parte a universului din care este imposibil să observăm antimateria.

Noul nostru studiu, publicat în Nature, dezvăluie modul în care antimateria se comportă de fapt sub influența gravitației.

Alte abordări ale întrebării de ce observăm mai multă materie decât antimaterie acoperă numeroase subdomenii ale fizicii. Acestea variază de la astrofizică – care urmărește să observe și să prezică comportamentul antimateriei în cosmos prin experimente – până la fizica particulelor de înaltă energie, investigând procesele și particulele fundamentale care formează antimaterie și le guvernează durata de viață.

Deși s-au observat ușoare diferențe în durata de viață a unor particule de antimaterie în comparație cu omologii lor de materie, aceste rezultate sunt încă departe de a fi o explicație suficientă a asimetriei dintre cantitatea de materie şi antimaterie din univers.

Proprietățile fizice ale antihidrogenului – un atom compus dintr-un electron de antimaterie (pozitronul) legat de un proton de antimaterie (antiproton) – sunt de așteptat să fie exact aceleași cu cele ale hidrogenului. Pe lângă faptul că posedă aceleași proprietăți chimice ca și hidrogenul, cum ar fi culoarea și energia, ne așteptăm, de asemenea, ca antihidrogenul să se comporte la fel într-un câmp gravitațional.

Așa-numitul „principiu de echivalență slabă” din teoria relativității generale afirmă că mișcarea corpurilor într-un câmp gravitațional este independentă de compoziția lor. Acest lucru spune în esență că din ce este făcut ceva nu afectează modul în care gravitația îi influențează mișcările.

Această predicție a fost testată cu o precizie extrem de ridicată pentru forțele gravitaționale cu o varietate de particule de materie, dar niciodată direct asupra mișcării antimateriei.

Chiar și cu particulele de materie, teoria gravitației se deosebește de alte teorii fizice prin aceea că nu a fost încă unificată cu teoriile care descriu antimateria. Din acest motiv orice diferență observată în studiul influenței gravitației asupra antimateriei poate ajuta la înţelegerea ambelor probleme.

Până în prezent, nu au existat măsurători directe ale mișcării gravitaționale a antimateriei. Studiul este destul de dificil, deoarece gravitația este cea mai slabă forță.

Aceasta înseamnă că este dificil să distingem efectele gravitației de alte influențe externe. Doar cu progresele recente ale tehnicilor de producere a antimateriei stabile (de viață lungă), neutră și rece, măsurătorile au devenit fezabile.

Capcana de antimaterie

Munca noastră a avut loc la experimentul ALPHA-g de la CERN, cel mai mare laborator de fizică a particulelor din lume, cu sediul în Elveția, care a fost proiectat pentru a testa efectele gravitației prin conținutul de antihidrogen într-o capcană verticală de doi metri înălțime. Antihidrogenul este creat în capcană prin combinarea constituenților săi de antimaterie: pozitronul și antiprotonul.

Aparatul ALPHA-g a fost instalat în 2018. Credit: William Bertsche/Universitatea din Manchester, CC BY-SA

Pozitronii sunt produşi cu ușurință de unele materiale radioactive – am folosit sare de masă radioactivă. Totuși, pentru a crea antiprotoni reci a trebuit să folosim acceleratoare de particule imense și o instalație unică de decelerare care funcționează la CERN.

Ambele ingrediente sunt încărcate electric și pot fi prinse și stocate independent ca antimaterie în dispozitive speciale numite capcane Penning, care constau din câmpuri electrice și magnetice.

Cu toate acestea, antiatomii nu sunt reţinuţi de capcanele Penning, așa că am avut un dispozitiv suplimentar pentru confinarea antiatomilor. Această capcană specială a fost creată de câmpurile magnetice generate de numeroși magneți supraconductori.

Introducerea aparatului ALPHA-g. Credit: CERN, CC BY-SA

Puterea de reţinere a capcanei a fost reglată diferit la capetele acesteia. În special prin reducerea putererii de reţinere la partea de sus și de jos a capcanei atomii de antimaterie au părăsit capcana sub influența gravitației.

Am numărat câți antiatomi au scăpat în partea de sus și de jos prin detectarea anihilărilor de antimaterie create atunci când antiatomii s-au ciocnit cu particulele de materie din jur în capcană. Comparând aceste rezultate cu modelele computerizate detaliate ale acestui proces în atomii normali de hidrogen, am putut deduce efectul gravitației asupra atomilor de antihidrogen.

Rezultatele noastre sunt primele din experimentul ALPHA-g și prima măsurare directă a mișcării antimateriei într-un câmp gravitațional. Ele arată că gravitația antihidrogenului este aceeași cu cea a hidrogenului, atomii de antihidrogen mai degrabă cad decât se ridică sub influenţa gravitaţiei în limitele de incertitudine ale experimentului.

Aceasta înseamnă că cercetarea noastră a exclus empiric o serie de teorii istorice care implicau o așa-numita „antigravitație” care sugerează că antimateria ar gravita exact în direcția opusă materiei normale.

Măsurătoarea actuală este o etapă importantă în acest experiment. Studiile viitoare vor beneficia de o precizie îmbunătăţită a experimentului ALPHA-g printr-o mai bună caracterizare și control al aspectelor importante ale experimentului, cum ar fi capcanele și sistemele de răcire a atomului.

Ne putem aştepta la rezultate noi care pot ajuta la explicarea asimetriei materie-antimaterie. Fizica este menită să descrie realitatea observată și pot exista întotdeauna surprize în modul în care funcționează lumea.

Traducere după Antimatter: we cracked how gravity affects it – here’s what it means for our understanding of the universe