Коллаборация ALPHA (Европейский центр ядерных исследований, ЦЕРН) опубликовала результаты эксперимента, подтверждающего, что атомы антиводорода падают на Землю так же, как и их материальный эквивалент – атом водорода.
Историческая работа Исаака Ньютона о гравитации, как известно, была вдохновлена наблюдением за тем, как яблоко падает на землю с дерева. А как насчет «антияблока», сделанного из антиматерии? Согласно принципу эквивалентности, антиматерия и материи должны падать на Землю одинаковым образом. Однако остается вопрос, не влияют ли на их свободное падение другие дальнодействующие силы, помимо гравитации, если они существуют?
В статье, опубликованной в журнале Nature, коллаборация ALPHA, которая работает на так называемой фабрике антивещества в ЦЕРН, показывает, что в пределах точности измерения в их эксперименте атомы антиводорода, которые состоят из позитрона, вращающегося вокруг антипротона – падают на Землю так же, как и их материальный эквивалент – атом водорода. «В физике вы ничего не узнаете, пока не увидите это», — заявил руководитель коллаборации ALPHA Джеффри Хангст. -
«Это первый прямой эксперимент, в котором действительно наблюдается гравитационное воздействие на движение антиматерии. Это важная веха в изучении антиматерии, которая до сих пор озадачивает нас из-за ее очевидного отсутствия во Вселенной».
Гравитация — это сила притяжения между любыми двумя объектами, имеющими массу. Это самая слабая из четырех фундаментальных сил природы. Атомы антиводорода являются электрически нейтральными и стабильными частицами антивещества. Эти свойства делают их идеальными системами для изучения гравитационного поведения антиматерии. Коллаборация ALPHA создает атомы антиводорода, используя отрицательно заряженные антипротоны, произведенные и замедленные в антипротонном накопительном кольце сверхнизкой энергии (Extra Low Energy Antiproton ring (ELENA)) длиной 30 м., затем связывая их с положительно заряженными позитронами, накопленными из источника натрия-22. После этого в эксперименте удерживаются нейтральные, но слегка магнитные атомы антивещества в магнитной ловушке, которая предотвращает их контакт с веществом и аннигиляцию.
До сих пор коллаборация концентрировалась на спектроскопических исследованиях с помощью установки ALPHA-2, направляя лазерный свет или микроволновое излучение на атомы антиводорода для измерения их внутренней структуры. Затем коллаборация ALPHA построила вертикальную установку под названием ALPHA-g. Первые антипротоны были доставлены на эту установку в 2018 году. В 2021 году установка была введена в эксплуатацию. Буква «g» в названии установки обозначает ускорение силы тяжести, которое составляет около 9,81 м/с2. Эта установка позволяет измерять вертикальные положения, в которых атомы антиводорода аннигилируют с веществом, когда магнитное поле ловушки выключается, позволяя атомам падать в гравитационном поле Земли. В процессе работы установки захватываются группы из примерно 100 атомов антиводорода, по одной группе за раз, а затем медленно высвобождаются в течение 20 секунд, постепенно уменьшая ток в верхнем и нижнем магнитах ловушки. Компьютерное моделирование установки ALPHA-g показывает, что для вещества эта операция приведет к выходу около 20% атомов через верхнюю часть ловушки и 80% через нижнюю часть, разница вызвана нисходящей силой гравитации.
Усреднив результаты семи испытаний по высвобождению атомов антиводорода, коллаборация ALPHA обнаружила, что доли антиатомов, выходящих через верх и низ, соответствуют результатам моделирования. Полное исследование включало повторение эксперимента несколько раз для разных значений дополнительного «смещающего» магнитного поля, которое могло либо усиливать, либо противодействовать силе гравитации. Анализируя данные этого «сканирования смещения», было обнаружено, что в пределах точности эксперимента (~20% от g) ускорение атома антиводорода соответствует гравитационной силе притяжения между материей и Землей.
«Нам потребовалось 30 лет, чтобы научиться создавать этот антиатом, удерживать его и контролировать его достаточно хорошо, чтобы мы могли действительно сбросить его так, чтобы он был чувствителен к силе гравитации», — говорит Хангст. «Следующий шаг — измерить ускорение настолько точно, насколько это возможно», — продолжает Хангст. «Мы хотим проверить, действительно ли материя и антиматерия падают одинаково. Ожидается, что лазерное охлаждение атомов антиводорода, которое мы впервые продемонстрировали в установке ALPHA-2 и реализуем его в установке ALPHA-g в 2024 году, окажет существенное влияние на точность измерения».
Фабрика антиматерии в ЦЕРН — уникальный в мире объект по производству и изучению антиматерии. Два других эксперимента на этой фабрике, AEgIS и GBAR, нацелены, как и ALPHA, на измерение с высокой точностью гравитационного ускорения атомов антиматерии. Также на Фабрике антиматерии работает эксперимент BASE. Его основная задача — сравнить с высокой точностью свойства протона со свойствами его двойника-антиматерии антипротона. Совсем недавно в этом эксперименте было выполнено сравнение гравитационного поведения этих двух частиц.