מדענים מפצחים כיצד כוח הכבידה משפיע על אנטי-חומר: מה זה אומר על הבנתנו את היקום

הועלה מחדש על ידי אפלטון

עוקב: 0

חומר הנקרא אנטי-חומר נמצא בלב אחת התעלומות הגדולות ביותר של היקום. אנחנו יודעים שלכל חלקיק יש בן לוויה אנטי-חומר שהוא כמעט זהה לעצמו, אבל עם מטען הפוך. כאשר חלקיק ואנטי-חלקיק שלו נפגשים, הם מחסלים זה את זה - נעלמים בפרץ של אור.

ההבנה הנוכחית שלנו בפיזיקה מנבאת שכמויות שוות של חומר ואנטי-חומר היו אמורות להיווצר במהלך היווצרות היקום. אבל נראה שזה לא קרה שכן זה היה גורם לכל החלקיקים להשמיד מיד.

במקום זאת, יש הרבה חומר סביבנו, אך מעט מאוד אנטי-חומר - אפילו עמוק בחלל. החידה הזו הובילה חיפוש גדול למצוא פגמים בתיאוריה או להסביר אחרת את האנטי-חומר החסר.

גישה אחת כזו התמקדה בכוח המשיכה. אולי אנטי-חומר מתנהג אחרת תחת כוח הכבידה, ונמשך לכיוון ההפוך לחומר? אם כן, אולי אנחנו פשוט נמצאים בחלק של היקום שממנו אי אפשר לצפות באנטי-חומר.

מחקר חדש, פורסם על ידי הצוות שלי ב טבע, חושף כיצד אנטי-חומר מתנהג בפועל בהשפעת כוח הכבידה.

גישות אחרות לשאלה מדוע אנו רואים יותר חומר מאשר אנטי-חומר משתרעות על תתי-שדות רבים בפיזיקה. טווח אלה מאסטרופיזיקה- במטרה להתבונן ולחזות את התנהגות האנטי-חומר בקוסמוס עם ניסויים-לפיזיקת חלקיקים באנרגיה גבוהה, חקירת התהליכים והחלקיקים הבסיסיים היוצרים אנטי-חומר ומנהלים את חייהם.

בעוד הבדלים קלים נצפו ב משך החיים של חלקיקי אנטי-חומר מסוימים בהשוואה לעמיתיהם החומריים, תוצאות אלו עדיין רחוקות מלהיות הסבר מספק לאסימטריה.

התכונות הפיזיקליות של אנטי-מימן - אטום המורכב מאלקטרון אנטי-חומר (הפוזיטרון) הקשור לפרוטון אנטי-חומר (אנטיפרוטון) - צפויות להיות זהות לחלוטין לאלו של מימן. בנוסף לאותן תכונות כימיות כמו מימן, כגון צבע ואנרגיה, אנו מצפים גם שאנטי מימן יתנהג אותו דבר בשדה כבידה.

מה שמכונה "עקרון השקילות החלשה" בתורת היחסות הכללית קובע שתנועת גופים בשדה כבידה אינה תלויה בהרכבם. זה בעצם אומר שמה שמשהו עשוי ממנו לא משפיע על האופן שבו כוח הכבידה משפיע על תנועותיו.

חיזוי זה נבדק בדיוק גבוה במיוחד עבור כוחות כבידה עם מגוון חלקיקי חומר, אך מעולם לא ישירות על תנועת האנטי-חומר.

אפילו עם חלקיקי חומר, כוח הכבידה נבדל מתיאוריות פיזיקליות אחרות, בכך שהיא טרם התאחדה עם התיאוריות המתארות אנטי-חומר. כל הבדל שנצפה עם כבידה אנטי-חומר עשוי לעזור לשפוך אור על שני הנושאים.

עד כה, לא היו מדידות ישירות על תנועת הכבידה של אנטי-חומר. זה די מאתגר ללמוד כי כוח הכבידה הוא הכוח החלש ביותר.

זה אומר שקשה להבחין בין השפעות הכבידה להשפעות חיצוניות אחרות. זה היה רק עם ההתקדמות האחרונה בטכניקות לייצר אנטי-חומר יציב (ארוך חיים), ניטרלי וקר, שהמדידות הפכו לאפשריות.

אנטי-חומר לכוד

העבודה שלנו התקיימה ב ניסוי ALPHA-g ב-Cern, המעבדה הגדולה בעולם לפיזיקת חלקיקים, שבסיסה בשוויץ, אשר תוכננה לבחון את השפעות הכבידה על ידי הכלת אנטי מימן במלכודת אנכית בגובה שני מטרים. אנטי מימן נוצר במלכודת על ידי שילוב המרכיבים האנטי-חומריים שלו: הפוזיטרון והאנטיפרוטון.

מכשיר ALPHA-g מותקן ב-2018. — מכשיר ALPHA-g מותקן בשנת 2018. קרדיט תמונה: ויליאם ברטשה / אוניברסיטת מנצ'סטר, CC BY-SA

פוזיטרונים מיוצרים בקלות על ידי כמה חומרים רדיואקטיביים - השתמשנו במלח שולחן רדיואקטיבי. כדי ליצור אנטי פרוטונים קרים, לעומת זאת, היינו צריכים להשתמש מאיצי חלקיקים עצומים ומתקן האטה ייחודי הפועל בסרן.

שני המרכיבים טעונים חשמלית וניתן ללכוד אותם ולאחסן אותם באופן עצמאי כאנטי-חומר במכשירים מיוחדים הנקראים מלכודות Penning, המורכבות משדות חשמליים ומגנטיים.

אנטי-אטומים, לעומת זאת, אינם מוגבלים במלכודות פנינג, ולכן היה לנו מכשיר נוסף שנקרא "מלכודת בקבוקי מגנט", אשר כלא את האנטי-אטומים. מלכודת זו נוצרה על ידי שדות מגנטיים שנוצרו על ידי מגנטים מוליכים רבים רבים.

אלה הופעלו כדי לשלוט בחוזקות היחסיות של הצדדים השונים של הבקבוק. יש לציין שאם נחליש את החלק העליון והתחתון של הבקבוק, האטומים יוכלו לעזוב את המלכודת בהשפעת כוח הכבידה.

ספרנו כמה אנטי-אטומים נמלטו כלפי מעלה ומטה על-ידי זיהוי ההשמדה האנטי-חומר שנוצרה כאשר האנטי-אטומים התנגשו בחלקיקי החומר שמסביב במלכודת. על ידי השוואת תוצאות אלו מול מודלים ממוחשבים מפורטים של תהליך זה באטומי מימן רגילים, הצלחנו להסיק את השפעת כוח המשיכה על אטומי האנטי מימן.

התוצאות שלנו הן הראשונות מניסוי ALPHA-g והמדידה הישירה הראשונה של תנועת אנטי-חומר בשדה כבידה. הם מראים שכבידת אנטי מימן זהה לזו של מימן, היא יורדת כלפי מטה ולא עולה, בגבולות אי הוודאות של הניסוי.

[תוכן מוטבע]

המשמעות היא שהמחקר שלנו שלל אמפירית א מספר תיאוריות היסטוריות כרוך במה שנקרא "אנטי-כבידה" המצביע על כך שאנטי-חומר ימשוך בדיוק בכיוון ההפוך לחומר רגיל.

המדידה הנוכחית היא אבן דרך חשובה לניסוי. עבודה עתידית בניסוי ALPHA-g תשפר את הדיוק שלו באמצעות אפיון ובקרה טובים יותר של היבטים חשובים של הניסוי, כגון המלכודות ומערכות קירור האטום.

עדיין יש מספיק מקום למצוא תוצאות חדשות ממה שאפשר לעזור להסביר אסימטריה של חומר אנטי-חומר. פיזיקה נועדה לתאר את המציאות הנצפית, ותמיד יכולות להיות הפתעות באופן שבו העולם עובד.

מאמר זה פורסם מחדש מתוך שיחה תחת רישיון Creative Commons. קרא את ה מאמר מקורי.

תמונת אשראי: Keyi "Onyx" Li/US National Science Foundation