Эксперимент показывает, что антиматерия падает под действием гравитации, как и материя

Физики, изучающие антиводород — антипротон в паре с антиэлектроном или позитроном — убедительно доказали, что гравитация тянет его вниз, а не толкает вверх. Что касается гравитации, то и материя, и ее зеркальный двойник с перевернутым зарядом, антиматерия, заслуживают больших и теплых объятий. Это исследование было опубликовано в журнале Nature.

Недавний эксперимент международного сотрудничества в области антиводородной лазерной физики позволил провести первое прямое измерение свободно падающего антивещества (видео можно посмотреть ниже).

Если бы результаты были иными, мы, возможно, наконец получили бы первое достоверное представление о том, куда отправилась половина Вселенной около 13,4 миллиардов лет назад.

Антиматерия — это квантовая тень привычного вида материи, из которой состоят объекты нашей повседневной жизни.

Поменяв местами заряд (и несколько других, более тонких характеристик) электрона, вы получите столь же крошечную, но положительно заряженную частицу, называемую позитроном.

Построив протон из антикварков, вы получите отрицательный эквивалент, называемый антипротоном.

А если сложить эти два вместе? Вы получаете атом антиводорода с положительной частицей, вращающейся вокруг отрицательного ядра.

Вселенная не стесняется создавать частицы антивещества, по крайней мере, не больше, чем создает материю. Но если свести их вместе, их противоположные вкусы быстро исчезнут, и не останется ничего, кроме быстро расширяющегося пузыря гамма-лучей, позволяющего предположить, что они когда-либо существовали.

Этот очевидный факт космической бухгалтерии представляет собой загадку: почему у нас есть Вселенная, наполненная звездами-материями, планетами-материями и галактиками-материями, если эквивалентное количество антиматерии появилось в бушующей печи Большого Взрыва немедленно, чтобы отменить ее? 

В то время как некоторые физики подвергают сомнению предпосылки создания и уничтожения антиматерии, другие ставят под сомнение предположения о фундаментальном поведении зеркального двойника.

Например, если бы позитроны отталкивались гравитацией, а не притягивались, два вида материи могли бы быть разделены на ранних этапах создания Вселенной.

Это отличная идея, даже если она не поддерживается теорией.

«Если бы антиводород каким-то образом отличался от водорода, это было бы революционным явлением, потому что физические законы, как в квантовой механике, так и в гравитации, гласят, что поведение должно быть одинаковым», — говорит Джонатан Вуртеле, физик плазмы из Калифорнийского университета в Беркли. «Однако никто не узнает, пока не проведет эксперимент».

Проведение такого эксперимента легче сказать, чем сделать.

Мы сравнивали влияние гравитации на различные виды материи в соответствии с так называемым принципом слабой эквивалентности задолго до того, как Галилей якобы сбросил боеприпасы с вершины башни в Пизе.

Сбросить массу, состоящую из антиматерии, — это совсем другая игра.

Во-первых, хотя мы можем синтезировать его с помощью коллайдера частиц, за всю историю было произведено лишь несколько нанограммов антипротонов и позитронов.

Замедление антивещества, его хранение и транспортировка античастиц для экспериментов — проблема номер два.

Однако, возможно, самым большим препятствием является невероятная слабость самой гравитации по сравнению с невероятной мощью электромагнетизма. Сила гравитации, действующая на одиночный протон, находящийся на поверхности Земли, такая же, как электрическое поле с напряженностью всего 0,000001 вольт на квадратный метр.

Магнитные поля еще более губительны, требуя от экспериментаторов нестандартного мышления при разработке способов увидеть, падает ли объект из антивещества так, как будто он состоит из материи.

В 2022 году исследователи нашли косвенные доказательства того, что они одинаково реагировали на гравитацию. Гоня два вида материи вокруг ловушки в течение 18 месяцев, они не обнаружили никаких признаков того, что гравитация оказывает различное влияние на антиматерию.

Чтобы продвинуть эксперименты еще на один шаг, АЛЬФА разработала вертикальную вакуумную камеру с регулируемыми магнитными полями и «сбросила» частицы антиводорода вниз по ее центру.

«Говоря в общих чертах, мы создаем антиматерию и проводим эксперимент типа Пизанской башни», — говорит Вюртеле.

Контролируемо изменяя магнитные поля, исследователи смогли нейтрализовать их эффекты, оставив притяжение гравитации смещать больше частиц в сторону Земли, а не в сторону неба с ускорением.

Эксперимент означает, что мы можем отказаться от предположений о том, что гравитация выделила антивещество из пепла Большого взрыва, по крайней мере, на данный момент.

Тем не менее, все еще существует небольшая вероятность того, что гравитация любит одного из близнецов материи немного больше, чем другого. Если это так, это может объяснить, почему мы унаследовали целую Вселенную.