Antimateria faller inte upp, avslöjar CERN-experimentet – Physics World

Antimateria faller inte upp, avslöjar CERN-experimentet – Physics World

Tidsstämpel: 27 september, 2023 11:30

Fatscintillator
Går ner: ALPHA-gs tunnscintillator monteras på CERN. (Med tillstånd: CERN)

Antimateria "faller inte upp", utan reagerar snarare på jordens gravitationskraft på ungefär samma sätt som normal materia. Det är slutsatsen av fysiker som arbetar med ALPHA-g experiment vid CERN, som har gjort den första direkta observationen av fritt fallande antimateriaatomer.

Experimentet hjälper till att utesluta idén att en skillnad i deras reaktioner på gravitationen på något sätt är ansvarig för det faktum att det finns mycket mer materia än antimateria i det synliga universum. Mätningen lämnar dock fortfarande den lockande, men mycket osannolika, möjligheten att antimateria och materia reagerar lite olika på gravitationen.

Antimateria förutspåddes första gången 1928 och fyra år senare observerades de första antimateriapartiklarna – antielektroner eller positroner – i labbet. Antimateriapartiklar verkar vara identiska med sina materiamotsvarigheter, men med sin laddning, paritet och tid omvänd. Hittills tyder studier av antipartiklar på att de har samma massor som sina motsvarigheter och att de svarar på gravitationen på samma sätt.

Förvisad ur sikte

Denna likhet tyder på att antimateria borde ha producerats i samma mängd som materia under Big Bang. Detta strider mot vad vi vet om det synliga universum, som verkar innehålla mycket mer materia än antimateria. Som ett resultat söker fysiker efter subtila sätt att antimateria skiljer sig från materia, eftersom att hitta sådana skillnader kan hjälpa till att förklara varför materia dominerar över antimateria.

Indirekta mätningar av gravitationens effekt på antimateria tyder på att materia och antimateria båda svarar på samma sätt på gravitationen. Men svårigheterna med att arbeta med antimateria gjorde att en direkt observation av antimateria som faller fritt under jordens gravitation inte hade gjorts.

Medan antimateria kan göras i labbet, kommer den att förintas vid kontakt med materia i en experimentell apparat. Så stor försiktighet måste tas för att samla tillräckligt med antimateria för att göra ett experiment. Under det senaste decenniet har ALPHA-teamet vid CERN fulländat den magnetiska infångningen av antimateria under högvakuum för att minimera förintelsen. Nu har de skapat en fälla i en hög cylindrisk vakuumkammare som kallas ALPHA-g, som gör att de kan observera om antimateria faller nedåt eller uppåt.

Deras experiment går ut på att fylla kammaren med antiväteatomer – som var och en består av en antiproton och en positron. Positronerna samlas in från en radioaktiv källa och antiprotonerna skapas genom att skjuta protoner mot ett fast mål. Båda typerna av antipartiklar bromsas mycket försiktigt och kombineras sedan för att skapa antiväte.

Fly fällan

ALPHA-g-experimentet börjar med antivätet som magnetiskt fångas i cylinderns mitt. Sedan slås fångstfältet ner, så att antiatomer började fly fällan. Dessa rymningar träffar väggarna i kammaren, där förintelse skapar en ljusblixt i en scintillationsdetektor. Teamet observerade cirka 80 % av förintelsen under mitten av fällan, vilket tyder på att antiatomerna faller under gravitationen när de väl släppts från fällan. Detta bekräftades genom att upprepa experimentet mer än ett dussin gånger. Teamet observerade inte att 100 % av antiatomerna rörde sig nedåt eftersom den termiska rörelsen hos partiklarna skickade några av dem uppåt och de förintades innan de kunde falla tillbaka igen – förklarar ALPHA-g talesman Jeffrey Hangst, som är vid Danmarks Aarhus Universitet. Hangst berättade Fysikvärlden att experimentet överensstämmer är med att antiväte faller ner.

ALPHA-g fann dock att antiatomerna upplevde en acceleration på grund av jordens gravitation som är cirka 0.75 av den som upplevs av normal materia. Även om denna mätning har en låg statistisk signifikans, ger den lockande hopp om att fysiker snart kan upptäcka en skillnad mellan materia och antimateria som kan peka mot ny fysik bortom standardmodellen.

Graham Shore från Storbritanniens University of Swansea berättar Fysikvärlden att ALPHA-g-resultatet inte ska tolkas som bevis på att antimateria reagerar annorlunda än materia i jordens gravitationsfält.

"Varje mätning av [en diskrepans] som helst skulle vara oerhört oväntat och skulle förmodligen indikera en ny typ av gravitationsstyrka, kanske en gravifoton, men det är svårt att se hur detta kunde ha förblivit dolt från precisionsgravitationsexperiment på materia," förklarar Shore , som inte var involverad i ALPHA-g-experimentet.

Vi kommer dock att behöva vänta på mer data från experimentet eftersom ALPHA-g har demonterats och ett spektroskopi-experiment har satts i dess ställe vid CERN. Hangst och hans kollegor fixar för närvarande ett känt designfel i en magnet i ALPHA-g och utarbetar hur de kan laserkyla antiväteatomerna för att förbättra experimentets prestanda.

Forskningen beskrivs i Natur.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden