Знаковый эксперимент в ЦЕРНе может помочь объяснить, почему антивещество, похоже, потерялось в ранней Вселенной. Если вы уроните антиматерию, она упадет вниз или поднимется вверх? В уникальном лабораторном эксперименте исследователи наблюдали нисходящую траекторию одного атома антиводорода, дав четкий ответ:Антиматерия падает вниз.
На этом изображении показаны атомы антиводорода, падающие и аннигилирующие внутри магнитной ловушки, которая является частью эксперимента CERN ALPHA-g, предназначенного для измерения воздействия гравитации на антиматерию. Источник изображения: Национальный научный фонд.
Подтверждая гравитационное притяжение антиматерии и обычной материи, это открытие также исключает гравитационное отталкивание как причину отсутствия антиматерии в наблюдаемой Вселенной.
Исследователи из Международного центра лазерной физики антиводорода (АЛЬФА) в ЦЕРН в Швейцарии опубликовали свои выводы сегодня в журнале Nature.
«Успех сотрудничества АЛЬФА демонстрирует важность командной работы между континентами и научными сообществами», — сказал Вячеслав «Слава» Лукин, программный директор Отделения физики Национального научного фонда. «Понимание свойств антивещества не только помогает нам понять, как образовалась Вселенная, но также делает возможным беспрецедентные инновации, такие как позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), которая спасает множество жизней, применяя наши знания об антивеществе для обнаружения раковых опухолей в организме».
Коллаборация Центра лазерной физики антиводорода (АЛЬФА) — это международная группа ЦЕРН, которая использует атомы антиводорода для понимания фундаментальной симметрии между веществом и антивеществом. Исследователи объявили о революционных результатах эксперимента, направленного на понимание влияния гравитации на антиматерию. Источник изображения: Национальный научный фонд.
Неуловимый изменчивый двойник материи
За исключением варп-двигателей, питаемых антиматерией, и фотонных торпед, представленных в «Звездном пути», антиматерия вполне реальна, но загадочно редка.
«Общая теория относительности Эйнштейна утверждает, что антивещество должно вести себя точно так же, как материя», — сказал Джонатан Вюртеле, физик плазмы из Калифорнийского университета в Беркли и член коллаборации АЛЬФА. «Многие косвенные измерения показывают, что гравитация взаимодействует с антивеществом, как и ожидалось». «Но до сегодняшних результатов никто на самом деле не проводил прямых наблюдений, чтобы исключить возможность того, что антиводород двигался в гравитационном поле вверх, а не вниз».
Наши тела, Земля и почти все остальное во Вселенной, о которой знают ученые, в подавляющем большинстве состоят из обычной материи, состоящей из протонов, нейтронов и электронов, таких как атомы кислорода, углерода, железа и других элементов периодической таблицы.
Антиматерия, с другой стороны, является братом-близнецом обычной материи, хотя и с некоторыми противоположными свойствами. Например, антипротоны имеют отрицательный заряд, а протоны — положительный. Антиэлектроны (также называемые позитронами) заряжены положительно, а электроны — отрицательно.
Кевин М. Джонс — руководитель проекта в физическом отделе Национального научного фонда и почетный профессор физики Уильяма Эдварда МакЭлфреша в колледже Уильямс. Он кратко представил, что такое антиматерия и общую ценность изучения антиматерии. Источник: Национальный научный фонд.
Однако, возможно, самым сложным для экспериментаторов является то, что «антиматерия взрывается, как только она вступает в контакт с материей», — сказал Джоэл Фаджанс, физик плазмы из Калифорнийского университета в Беркли и член коллаборации АЛЬФА.
Объединенная масса материи и антиматерии полностью преобразуется в энергию в ходе реакции настолько интенсивной, что ученые называют ее аннигиляцией.
Для данной массы эта аннигиляция является наиболее интенсивной известной нам формой энерговыделения. Однако количество антивещества, используемого в эксперименте АЛЬФА, настолько мало, что только чувствительные детекторы могут обнаружить энергию, генерируемую аннигиляцией антивещества/вещества. Поэтому нам нужно очень осторожно манипулировать антивеществом, иначе мы потеряем его.
Концептуальное изображение атомов антиводорода в магнитной ловушке устройства АЛЬФА-г. Когда напряженность магнитного поля вверху и внизу ловушки ослабевает, атомы антиводорода убегают, контактируют со стенками ловушки и аннигилируют. Большая часть аннигиляции происходит под камерой, что позволяет предположить, что гравитация тянет атомы антиводорода вниз. Вращающиеся силовые линии магнитного поля в анимации представляют собой невидимое воздействие магнитных полей на атомы антиводорода. В реальных экспериментах магнитное поле не вращается. Источник: Кейи «Оникс» Ли/Национальный научный фонд.
Бросание «бомбы из антивещества»"
«Говоря в общих чертах, мы создаем антиматерию и проводим эксперимент типа Пизанской башни», — сказал Вотел. Он имел в виду более простого интеллектуального предшественника их экспериментов — эксперимент Галилея 16-го века (возможно, аллегорически), который продемонстрировал, что два объекта одинакового размера, но разной массы, брошенные одновременно, имели одинаковое гравитационное ускорение. «Мы приводим антиматерию в движение и смотрим, поднимется она или опустится».
В эксперименте АЛЬФА газообразный антиводород содержится в высокой цилиндрической вакуумной камере с переменной магнитной ловушкой, называемой АЛЬФА-g. Ученые уменьшали силу магнитных полей вверху и внизу ловушки до тех пор, пока атомы антиводорода не смогли покинуть ее и не стали очевидны относительно слабые гравитационные эффекты.
Когда каждый атом антиводорода покидает магнитную ловушку, он ударяется о стенку полости над или под ловушкой и аннигилирует, что позволяет ученым обнаружить и подсчитать его.
Исследователи повторили эксперимент десятки раз, варьируя напряженность магнитного поля вверху и внизу ловушки, чтобы исключить возможные ошибки. Они заметили, что, когда ослабленное магнитное поле было точно сбалансировано сверху и снизу, около 80% атомов антиводорода аннигилировали под ловушкой - результат согласуется с тем, как обычные водородные облака ведут себя в тех же условиях.
Следовательно, гравитация заставляет атомы антиводорода падать вниз.
Тайна материи/антиматерии
Хотя источников антивещества не так уж и много (например, позитроны, испускаемые при распаде калия, и даже антивещества в бананах), ученые не видят большого количества антивещества во Вселенной. Однако законы физики предсказывают, что антиматерии должно существовать примерно в том же количестве, что и обычной материи. Ученые называют эту загадку проблемой перерождения.
Одно из возможных объяснений состоит в том, что антиматерия была гравитационно отброшена обычной материей во время Большого взрыва, но новые результаты показывают, что эта теория больше не кажется достоверной.
«Мы исключили возможность того, что антиматерия гравитационно отталкивается, а не притягивается», — сказал Вотел. «Это не означает, что нет никакой разницы в гравитационном притяжении, испытываемом антивеществом», — добавил он. Только более точные измерения могут доказать это.
Исследователи коллаборации АЛЬФА продолжат изучать природу антиводорода. Помимо улучшения измерений гравитационных эффектов, они используют спектроскопию для изучения того, как антиводород взаимодействует с электромагнитным излучением.
Было бы революционно, если бы антиводород чем-то отличался от водорода, потому что физические законы квантовой механики и гравитации гласят, что антиводород должен вести себя одинаково. Однако вы узнаете об этом только в том случае, если проведете эксперимент.