Antimaterie faller ikke opp, avslører CERN-eksperimentet – Physics World

Antimaterie faller ikke opp, avslører CERN-eksperimentet – Physics World

Tidsstempel: 27. september 2023 11

Tønnescintillator
Går ned: ALPHA-gs tønnescintillator blir satt sammen på CERN. (Med tillatelse: CERN)

Antimaterie "faller ikke opp", men reagerer snarere på jordens gravitasjonskraft på omtrent samme måte som vanlig materie. Det er konklusjonen til fysikere som jobber med ALPHA-g eksperiment ved CERN, som har gjort den første direkte observasjonen av frittfallende antimaterieatomer.

Eksperimentet bidrar til å utelukke ideen om at en forskjell i deres reaksjoner på tyngdekraften på en eller annen måte er ansvarlig for det faktum at det er mye mer materie enn antimaterie i det synlige universet. Målingen åpner imidlertid fortsatt for den fristende, men svært usannsynlige muligheten for at antimaterie og materie reagerer litt annerledes på tyngdekraften.

Antimaterie ble først spådd i 1928 og fire år senere ble de første antimateriepartiklene - antielektroner eller positroner - observert i laboratoriet. Antimateriepartikler ser ut til å være identiske med materiemotstykker, men med ladning, paritet og tid omvendt. Så langt tyder studier av antipartikler på at de har samme masse som sine motparter og at de reagerer på tyngdekraften på samme måte.

Forvist fra syne

Denne likheten antyder at antimaterie burde ha blitt produsert i samme mengde som materie under Big Bang. Dette går i møte med det vi vet om det synlige universet, som ser ut til å inneholde mye mer materie enn antimaterie. Som et resultat søker fysikere etter subtile måter antimaterie skiller seg fra materie på, fordi å finne slike forskjeller kan bidra til å forklare hvorfor materie dominerer over antimaterie.

Indirekte målinger av tyngdekraftens effekt på antimaterie tyder på at både materie og antimaterie reagerer på samme måte på tyngdekraften. Vanskelighetene med å jobbe med antimaterie gjorde imidlertid at det ikke var gjort en direkte observasjon av antimaterie som falt fritt under jordens tyngdekraft.

Mens antimaterie kan lages i laboratoriet, vil den tilintetgjøres ved kontakt med materie i et eksperimentelt apparat. Så stor forsiktighet må tas for å samle nok antimaterie til å gjøre et eksperiment. I løpet av det siste tiåret har ALPHA-teamet ved CERN perfeksjonert den magnetiske fangsten av antimaterie under høyvakuum for å minimere utslettelse. Nå har de laget en felle i et høyt sylindrisk vakuumkammer kalt ALPHA-g, som lar dem observere om antimaterie faller nedover eller oppover.

Eksperimentet deres innebærer å fylle kammeret med antihydrogenatomer - som hver består av et antiproton og et positron. Positronene samles opp fra en radioaktiv kilde og antiprotonene skapes ved å skyte protoner mot et fast mål. Begge typer antipartikler bremses veldig forsiktig og kombineres deretter for å lage antihydrogen.

Rømmer fra fellen

ALPHA-g-eksperimentet begynner med antihydrogenet magnetisk fanget i midten av sylinderen. Deretter slås fangstfeltet ned, slik at antiatomer begynte å unnslippe fellen. Disse rømningene treffer veggene i kammeret, der utslettelse skaper et lysglimt i en scintillasjonsdetektor. Teamet observerte omtrent 80 % av tilintetgjørelsene under midten av fellen, noe som tyder på at antiatomene faller under tyngdekraften når de ble sluppet ut av fellen. Dette ble bekreftet ved å gjenta eksperimentet mer enn et dusin ganger. Teamet observerte ikke at 100 % av antiatomene beveget seg nedover fordi den termiske bevegelsen til partiklene sendte noen av dem oppover og de utslettet før de kunne falle tilbake igjen – forklarer ALPHA-g-talspersonen Jeffrey Hangst, som er ved Danmarks Aarhus Universitet. Hangst fortalte Fysikkens verden at forsøket stemmer overens er med at antihydrogen faller ned.

ALPHA-g fant imidlertid at antiatomene opplevde en akselerasjon på grunn av jordens tyngdekraft som er omtrent 0.75 av den som oppleves av normal materie. Selv om denne målingen har lav statistisk signifikans, gir den et fristende håp om at fysikere snart kan oppdage en forskjell mellom materie og antimaterie som kan peke mot ny fysikk utover standardmodellen.

Graham Shore fra Storbritannias University of Swansea forteller Fysikkens verden at ALPHA-g-resultatet ikke skal tolkes som bevis på at antimaterie reagerer annerledes enn materie i jordens gravitasjonsfelt.

"Enhver måling av [en avvik] ville være enormt uventet og ville sannsynligvis indikere en ny type gravitasjonsstyrkekraft, kanskje et gravifoton, men det er vanskelig å se hvordan dette kunne ha holdt seg skjult fra presisjonsgravitasjonseksperimenter på materie," forklarer Shore , som ikke var involvert i ALPHA-g-eksperimentet.

Vi må imidlertid vente på flere data fra eksperimentet fordi ALPHA-g er demontert og et spektroskopi-eksperiment er satt i stedet ved CERN. Hangst og kollegene hans fikser for tiden en kjent designfeil i en magnet i ALPHA-g og jobber ut hvordan de kan laserkjøle antihydrogenatomene for å forbedre ytelsen til eksperimentet.

Forskningen er beskrevet i Natur.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden