Jeżeli upuścisz antymaterię, czy opadnie w dół czy w górę? W unikalnym eksperymencie laboratoryjnym, naukowcy zaobserwowali ścieżkę opadania indywidualnych atomów antywodoru, dostarczając jednoznaczną odpowiedź: antymateria opada w dół.
Potwierdzając, że antymateria i materia są przyciągane grawitacyjnie, wyniki również wykluczają odpychanie grawitacyjne jako powód, dla którego antymateria jest w dużej mierze brakująca we wszechświecie, jaki możemy obserwować.
Badacze z międzynarodowej współpracy Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA) w CERN w Szwajcarii opublikowali swoje wyniki dzisiaj w czasopiśmie Nature. Wsparcie dla badania pochodziło z ponad kilkunastu krajów i prywatnych instytucji, w tym ze Stanów Zjednoczonych dzięki wspólnej inicjatywie National Science Foundation i Departamentu Energii w programie Basic Plasma Science and Engineering.
„Sukces współpracy ALPHA to świadectwo znaczenia współpracy między kontynentami i społecznościami naukowymi”, mówi Vyacheslav „Slava” Lukin, dyrektor programu w Dziale Fizyki NSF. „Zrozumienie natury antymaterii może nie tylko pomóc nam zrozumieć, jak powstał nasz wszechświat, ale również umożliwić nowe innowacje wcześniej niepomyślane – jak tomografia emisyjna pozytonów (PET), która uratowała wiele żyć dzięki wykorzystaniu naszej wiedzy o antymaterii w celu wykrycia nowotworów w organizmie.”
Poza wyimaginowanymi napędami na antymaterii i torpedami fotonowymi ze Star Trek, antymateria jest całkowicie rzeczywista, ale tajemniczo rzadka.
„Teoria ogólnej względności Einsteina mówi, że antymateria powinna zachowywać się dokładnie tak samo jak materia”, powiedział fizyk plazmy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley i członek współpracy ALPHA, Jonathan Wurtele. „Wiele pośrednich pomiarów wskazuje, że grawitacja oddziałuje z antymaterią zgodnie z oczekiwaniami”, dodał, „ale dopiero dzisiejsze wyniki umożliwiły wykluczenie, na przykład, że antywodór porusza się w górę, a nie w dół w polu grawitacyjnym.”
Nasze ciała, Ziemia i niemal wszystko inne, co naukowcy znają we wszechświecie, są przeważająco zbudowane z zwykłej materii, składającej się z protonów, neutronów i elektronów, takich jak atomy tlenu, węgla, żelaza i innych elementów układu okresowego.
Z drugiej strony, antymateria jest bliźniakiem zwykłej materii, choć z niektórymi odwrotnymi właściwościami. Na przykład, antyprotony mają ładunek ujemny, podczas gdy protony mają ładunek dodatni. Antyelektrony (znane również jako pozytony) są dodatnie, podczas gdy elektrony są ujemne.
Jednak być może największym wyzwaniem dla eksperymentatorów jest fakt, że „jak tylko antymateria dotknie materii, dochodzi do eksplozji”, powiedział członek współpracy ALPHA i fizyk plazmy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, Joel Fajans.
Łączna masa materii i antymaterii jest całkowicie przekształcana w energię w reakcji tak potężnej, że naukowcy nazywają ją anihilacją.
„Dla danej masy takie anihilacje są najgęstszą formą wydobywanej energii, jaką znamy,” dodał Fajans.
Jednak ilość antymaterii używana w eksperymencie ALPHA jest tak mała, że energia tworzona przez anihilacje materii i antymaterii jest zauważalna tylko dla czułych detektorów.
„Niemniej jednak, musimy bardzo ostrożnie manipulować antymaterią, inaczej ją utracimy,” powiedział Fajans.
Z grubsza rzecz biorąc, produkujemy antymaterię i przeprowadzamy eksperyment w rodzaju tego z Krzywą Wieżą w Pizie,” powiedział Wurtele, odnosząc się do prostszego intelektualnego przodka ich eksperymentu, być może apokryficznego eksperymentu Galileusza z XVI wieku, który wykazał identyczne przyspieszenie grawitacyjne dwóch jednocześnie upuszczonych obiektów o podobnej objętości, ale różnej masie. „Wypuszczamy antymaterię i sprawdzamy, czy porusza się w górę, czy w dół.”
W eksperymencie ALPHA, antywodór był zawarty w wysokiej cylindrycznej komorze próżniowej z zmienną pułapką magnetyczną, zwaną ALPHA-g. Naukowcy zmniejszyli siłę magnetycznych pól u góry i na dole pułapki, aż atomy antywodoru mogły się uwolnić i stosunkowo słaby wpływ grawitacji stał się widoczny.
Gdy każdy atom antywodoru uciekał z magnetycznej pułapki, dotykał ścian komory albo powyżej, albo poniżej pułapki i ulegał anihilacji, którą naukowcy mogli wykryć i zliczyć.
Badacze powtórzyli eksperyment więcej niż kilkanaście razy, zmieniając siłę pola magnetycznego na górze i na dole pułapki, aby wyeliminować możliwe błędy. Zaobserwowali, że gdy osłabione pola magnetyczne były dokładnie zrównoważone na górze i na dole, około 80% atomów antywodoru uległo anihilacji poniżej pułapki – wynik zgodny z tym, jak zachowałaby się chmura zwykłego wodoru w tych samych warunkach.
Tak więc, to grawitacja sprawiała, że antywodór spadał w dół.
Tajemnica materii i antymaterii
Pomimo pewnych skromnych źródeł antymaterii – jak pozytony emitowane podczas rozpadu potasu, nawet w bananie – naukowcy nie widzą jej dużo we wszechświecie. Jednak prawa fizyki przewidują, że antymateria powinna istnieć w przybliżeniu takich samych ilościach jak zwykła materia. Naukowcy nazywają ten dylemat problemem baryogenezy.
Jednym z możliwych wyjaśnień jest, że antymateria była grawitacyjnie odpychana przez zwykłą materię podczas wielkiego wybuchu, chociaż nowe odkrycia sugerują, że ta teoria już nie wydaje się prawdopodobna.
„Za pomocą siły grawitacyjnej wyeliminowaliśmy możliwość, że antymateria jest odpychana, a nie przyciągana,” powiedział Wurtele. To nie oznacza, że nie ma różnicy w sile grawitacyjnej na antymaterię, dodaje. Tylko dokładniejszy pomiar da odpowiedź.
Naukowcy z współpracy ALPHA będą nadal badać naturę antywodoru. Oprócz doskonalenia ich pomiaru wpływu grawitacji, badają również, jak antywodór oddziałuje z promieniowaniem elektromagnetycznym poprzez spektroskopię.
„Jeśli antywodór byłby w jakiś sposób inny od wodoru, byłoby to rewolucyjne, ponieważ prawa fizyczne, zarówno w mechanice kwantowej, jak i w grawitacji, mówią, że zachowanie powinno być takie samo,” powiedział Wurtele. „Jednak nie wie się, dopóki nie przeprowadzi się eksperymentu.”
