Antymateria nie spada, pokazuje eksperyment CERN – Świat Fizyki

Antymateria nie spada, pokazuje eksperyment CERN – Świat Fizyki

Znacznik czasu: 27 września 2023 11:30

Scyntylator beczkowy
Schodząc w dół: scyntylator beczkowy ALPHA-g jest składany w CERN. (Dzięki uprzejmości: CERN)

Antymateria nie „pada w górę”, lecz raczej reaguje na przyciąganie grawitacyjne Ziemi w podobny sposób jak normalna materia. Do takiego wniosku doszli fizycy pracujący nad ALFA-g eksperyment w CERN, którzy dokonali pierwszej bezpośredniej obserwacji swobodnie spadających atomów antymaterii.

Eksperyment pomaga wykluczyć pogląd, że różnica w ich reakcjach na grawitację jest w jakiś sposób odpowiedzialna za fakt, że w widzialnym wszechświecie jest znacznie więcej materii niż antymaterii. Jednak pomiar nadal pozostawia otwartą kuszącą, choć bardzo mało prawdopodobną możliwość, że antymateria i materia reagują nieco inaczej na grawitację.

Antymateria została po raz pierwszy przewidziana w 1928 r., a cztery lata później w laboratorium zaobserwowano pierwsze cząstki antymaterii – antyelektrony, czyli pozytony. Cząstki antymaterii wydają się być identyczne ze swoimi odpowiednikami w materii, ale mają odwrócony ładunek, parzystość i czas. Dotychczasowe badania antycząstek sugerują, że mają one tę samą masę co ich odpowiedniki i w ten sam sposób reagują na grawitację.

Wygnany z pola widzenia

To podobieństwo sugeruje, że antymateria powinna była zostać wytworzona w tej samej ilości co materia podczas Wielkiego Wybuchu. Jest to sprzeczne z tym, co wiemy o widzialnym wszechświecie, który wydaje się zawierać znacznie więcej materii niż antymaterii. W rezultacie fizycy szukają subtelnych różnic między antymaterią a materią, ponieważ znalezienie takich różnic mogłoby pomóc wyjaśnić, dlaczego materia dominuje nad antymaterią.

Pośrednie pomiary wpływu grawitacji na antymaterię sugerują, że zarówno materia, jak i antymateria reagują na grawitację w ten sam sposób. Jednak trudności w pracy z antymaterią sprawiły, że nie przeprowadzono bezpośredniej obserwacji antymaterii swobodnie opadającej pod ziemską grawitacją.

Chociaż antymaterię można wytworzyć w laboratorium, ulegnie ona anihilacji w kontakcie z materią w aparacie doświadczalnym. Należy więc zachować szczególną ostrożność, aby zgromadzić wystarczającą ilość antymaterii, aby przeprowadzić eksperyment. W ciągu ostatniej dekady zespół ALPHA w CERN udoskonalił magnetyczne wychwytywanie antymaterii w wysokiej próżni, aby zminimalizować anihilację. Teraz stworzyli pułapkę w wysokiej cylindrycznej komorze próżniowej zwanej ALPHA-g, która pozwala im obserwować, czy antymateria spada w dół, czy w górę.

Ich eksperyment polega na wypełnieniu komory atomami antywodoru, z których każdy zawiera antyproton i pozyton. Pozytony są zbierane ze źródła radioaktywnego, a antyprotony powstają w wyniku wystrzelenia protonów w stały cel. Obydwa typy antycząstek są bardzo ostrożnie spowalniane, a następnie łączone w celu wytworzenia antywodoru.

Ucieczka z pułapki

Eksperyment ALPHA-g rozpoczyna się od magnetycznego uwięzienia antywodoru w środku cylindra. Następnie pole pułapki jest zmniejszane, tak że antyatomy zaczęły uciekać z pułapki. Ci uciekinierzy uderzają w ściany komory, gdzie anihilacja powoduje powstanie błysku światła w detektorze scyntylacyjnym. Zespół zaobserwował około 80% anihilacji poniżej środka pułapki, co sugeruje, że po uwolnieniu z pułapki antyatomy upadają pod wpływem grawitacji. Potwierdzono to kilkunastokrotnym powtórzeniem eksperymentu. Zespół nie zaobserwował, aby 100% antyatomów poruszało się w dół, ponieważ ruch termiczny cząstek wyrzucił część z nich w górę i uległa anihilacji, zanim zdążyła ponownie spaść – wyjaśnia rzecznik ALPHA-g Jeffreya Hangsta, który pracuje na duńskim uniwersytecie w Aarhus. Hangst powiedział Świat Fizyki że eksperyment jest zgodny, to spadek antywodoru.

Jednakże w ramach projektu ALPHA-g stwierdzono, że antyatomy doświadczyły przyspieszenia spowodowanego grawitacją Ziemi, wynoszącego około 0.75 przyspieszenia występującego w normalnej materii. Chociaż pomiar ten ma niskie znaczenie statystyczne, daje kuszącą nadzieję, że fizycy będą mogli wkrótce odkryć różnicę między materią i antymaterią, co może wskazywać na nową fizykę wykraczającą poza Model Standardowy.

Grahama Shore'a z brytyjskiego Uniwersytetu w Swansea – mówi Świat Fizyki że wyniku ALPHA-g nie należy interpretować jako dowodu na to, że antymateria reaguje inaczej niż materia w ziemskim polu grawitacyjnym.

„Jakikolwiek pomiar [rozbieżności] byłby niezwykle nieoczekiwany i prawdopodobnie wskazywałby na nowy rodzaj siły grawitacyjnej, być może grawifoton, ale trudno sobie wyobrazić, jak można było to ukryć przed precyzyjnymi eksperymentami grawitacyjnymi na materii” – wyjaśnia Shore , który nie był zaangażowany w eksperyment ALPHA-g.

Na więcej danych z eksperymentu będziemy jednak musieli poczekać, gdyż ALPHA-g została zdemontowana, a na jej miejscu w CERN postawiono eksperyment spektroskopowy. Hangst i jego współpracownicy naprawiają obecnie znaną wadę konstrukcyjną magnesu w ALPHA-g i zastanawiają się, w jaki sposób mogą laserowo ochłodzić atomy antywodoru, aby poprawić wydajność eksperymentu.

Badania opisano w Natura.

Znak czasu:

Więcej z Świat Fizyki