Експеримент показав, що антиматерія падає в гравітації, так само як і матерія

Що стосується гравітації, то і матерія, і її “дзеркальний” двійник з перевернутим зарядом, антиматерія, заслуговують на великі, теплі обійми.

Нещодавній експеримент, проведений міжнародною колаборацією ALPHA (Antihydrogen Laser Physics Apparatus), дав змогу вперше безпосередньо виміряти вільно падаючу антиматерію.

Якби результати були іншими, ми могли б нарешті отримати першу надійну підказку про те, куди поділася половина Всесвіту близько 13,4 мільярдів років тому.

Антиматерія – це квантова тінь знайомої нам матерії, з якої складаються об’єкти нашого повсякденного життя.

Якщо змінити заряд (і кілька інших більш тонких характеристик) електрона на протилежний, то вийде така ж крихітна, але позитивно заряджена частинка, яка називається позитрон.

Складіть протон з антикварків, і ви отримаєте його негативний еквівалент, який називається антипротон.

А якщо з’єднати їх разом? Ви отримаєте атом антиводню, з позитивною частинкою, що обертається навколо негативного ядра.

Всесвіт не соромиться створювати частинки антиматерії, принаймні не більше, ніж матерію. Але з’єднайте їх разом, і їхні протилежні аромати швидко нівелюються, не залишаючи нічого, окрім бульбашки гамма-променів, що швидко розширюється, на знак того, що вони колись існували.

Цей очевидний факт космічної бухгалтерії породжує загадку – чому ми маємо Всесвіт, наповнений матерією-зірками, матерією-планетами та матерією-галактиками, якщо еквівалентна кількість антиматерії з’явилася у вируючій печі Великого вибуху одразу ж, щоб все це звести нанівець?

У той час як деякі фізики ставлять під сумнів передумови створення та знищення антиматерії, інші кидають виклик припущенням про фундаментальну поведінку дзеркального двійника.

Наприклад, якби позитрони відштовхувалися під дією гравітації, а не притягувалися, то ці два види матерії могли б розділитися на початку створення Всесвіту.

Це гарна ідея, навіть якщо вона не підкріплена теорією.

“Якби антиводень якимось чином відрізнявся від водню, це було б революційним відкриттям, оскільки фізичні закони, як квантової механіки, так і гравітації, кажуть, що їхня поведінка має бути однаковою”, – каже фізик плазми Каліфорнійського університету в Берклі та учасник проекту ALPHA Джонатан Вуртелле (Jonathan Wurtele).

“Однак, ніхто не знає, поки не проведе експеримент”.

Провести такий експеримент легше сказати, ніж зробити.

Ми порівнювали вплив гравітації на різні види матерії згідно з так званим принципом слабкої еквівалентності задовго до того, як Галілей нібито скинув боєприпаси з вершини Пізанської вежі.

Скидання маси, зробленої з антиматерії, — це зовсім інша гра.

З одного боку, хоча ми можемо синтезувати її за допомогою колайдера елементарних частинок, за всю історію було отримано заледве кілька нанограмів антипротонів і позитронів.

Уповільнення антиматерії, її зберігання та транспортування античастинок для експериментів — проблема номер два.

Однак, мабуть, найбільшою перешкодою є неймовірна слабкість самої гравітації у порівнянні з неймовірною силою електромагнетизму. Сила гравітації на один протон, що лежить на поверхні Землі, дорівнює силі електричного поля напруженістю всього 0,000001 вольт на квадратний метр.

Магнітні поля є ще більш руйнівними, що вимагає від експериментаторів нестандартного мислення, щоб побачити, чи падає об’єкт з антиматерії так само, як об’єкт з матерії.

У 2022 році дослідники знайшли непрямі докази того, що вони реагують на гравітацію однаково. Ганяючи два види матерії навколо пастки протягом 18 місяців, вони не знайшли жодних ознак того, що гравітація по-іншому впливає на антиматерію.

Щоб просунути експеримент на крок далі, ALPHA розробила вертикальну вакуумну камеру з регульованим магнітним полем і “скинула” частинки антиводню в її центр.

“Загалом кажучи, ми створюємо антиматерію і проводимо експеримент на кшталт Пізанської вежі”, – каже Вуртеле.

Змінюючи магнітні поля у контрольований спосіб, дослідники можуть нівелювати їхні ефекти, залишаючи силу тяжіння схиляти більше частинок до падіння на Землю, аніж до прискорення в небо.

Цей експеримент означає, що ми можемо відкинути припущення про те, що гравітація відсіяла антиматерію з попелу Великого вибуху, принаймні поки що.

Проте все ще існує невелика ймовірність того, що гравітація любить одного з близнюків матерії трохи більше, ніж іншого. Якщо це так, то це може пояснити, чому ми успадкували цілий Всесвіт.

Це дослідження було опубліковане в Nature.