Специалисты ЦЕРНа недавно установили, что гравитационное поле нашей Земли способно притягивать частицы антиматерии. В ходе высокоточных экспериментов с активным использованием установки ALPHA-g физики зафиксировали вертикальное перемещение атомов антиводорода под воздействием силы тяжести. Результаты данного исследования были опубликованы в научном журнале Nature. Согласно фундаментальным принципам физики, каждой частице соответствует античастица, обладающая идентичной массой, но противоположным электрическим зарядом и другими характеристиками взаимодействия. На текущем этапе развития науки ученые достигли возможности не только генерировать отдельные элементы антивещества, но и объединять их в атомы, аккумулировать в магнитных ловушках и проводить лазерное охлаждение. Наиболее простым представителем данной группы является антиводород, состоящий из антипротона и позитрона — античастицы электрона.

Атомы антиводорода активно изучают — например, физики из коллаборации ALPHA наблюдали в этих атомах позитронный переход между основным и первым возбужденным состоянием. Измеренная частота перехода в том эксперименте с высокой точностью совпала со значением для обычного водорода.

Перед учеными стоит множество нерешенных вопросов касательно антивещества. Одна из самых больших задач физики современности — асимметрия вещества и антивещества во Вселенной — до сих пор не решена. Помимо этого, физиков интересует, как антивещество ведет себя в гравитационном поле. В рамках теории никакой антигравитации для антивещества не ожидается, однако этот вопрос требует экспериментальной проверки. Наконец, развитие технологии показало принципиальную возможность провести такой эксперимент, однако чувствительности детектора ранее не хватало, чтобы однозначно ответить на этот вопрос.

Физики из эксперимента ALPHA, расположенного в ЦЕРНе, провели новый эксперимент с атомами антиводорода, пойманными в магнитную ловушку в вертикально ориентированной установке ALPHA-g. Принцип эксперимента прост: необходимо накопить атомы антиводорода в вертикальной магнитной ловушке, аккуратно открыть верхний и нижний потенциальные барьеры и наблюдать по анигиляционным вспышкам на стенках установки, как под действием гравитации будут двигаться атомы антиводорода. Эти вспышки регистрируются время-проекционной камерой. По разности количества взаимодействий вверху и внизу установки можно определить, действует ли на антиводород гравитация, и в какую сторону. При этом, атомы антиводорода находятся в магнитной ловушке не в покое, а с небольшой начальной кинетической энергией. Физики провели компьютерное моделирование и выяснили, что из-за этого только порядка 80 процентов атомов антиводорода должны регистрироваться внизу от ловушки, а остальные — вверху, в случае, если гравитация тянет атомы антивещества к Земле.

Схема установки ALPHA-g. E. K. Anderson et al. / Nature

Ученые отмечают, что основная проблема в подобном эксперименте — наличие паразитного магнитного поля, которое создает дополнительную силу, действующую на атомы антиводорода в вертикальном направлении. Магнитное поле величиной 4,53×10^-4 Тесла между магнитами в установке ALPHA-g будет создавать силу, сравнимую с силой гравитации Земли. Поэтому и точность измерения магнитных полей внутри установки должна быть сопоставима с этой величиной. С другой стороны, специально создавая градиент магнитных полей внутри ловушки, физики смогли прокалибровать детектор и определить геометрическую область внутри детектора, где ожидается сигнал от аннигиляции атомов антиводорода на стенках установки.

Гистограммы количества зарегистрированных атомов антиводорода по оси z для разных приложенных внешних сил от -10 g до 10 g. E. K. Anderson et al. / Nature

Физики провели серию измерений, меняя приложенную дополнительную силу при помощи магнитного поля от −3 до 3 g. Каждый раз ученые подсчитывали количество аннигиляционных вспышек, зарегистрированных вверху и внизу установки, и рассчитывали вероятность зарегистрировать атомы антивещества снизу от установки для каждого эксперимента. В результате ученые определили, что гравитация действительно действует на атомы антиводорода (вероятность ошибки не более 2,9*10^-4), при этом гравитация Земли действует на атомы антиводорода с силой 0,75 ± 0,13 (статистическая и систематическая ошибка) ± 0,16 (ошибка компьютерного моделирования) от g. Результат ученых с учетом ошибок согласуется с предположением, что гравитация действует на атомы антиводорода аналогично обычному веществу — тянет по направлению к Земле. Вероятность того, что гравитация Земли отталкивает антивещество с силой 1 g, оказалась пренебрежимо малой: менее 10^-15.

Зависимость вероятности обнаружить атомы антиводорода внизу от магнитной ловушки при различных дополнительных силах от -3 до 3 g. E. K. Anderson et al. / Nature

В этом эксперименте физикам удалось отклонить гипотезу, что гравитация отталкивает антивещество с силой 1 g. Ранее мы писали, как ученые планируют решать другую загадку антивещества — проблему асимметрии материи и антиматерии при помощи гравитационных волн.

Для любознательных

Экспериментальное обнаружение взаимодействия гравитационного поля с частицами антиматерии — это одно из ключевых достижений современной физики, и в этом направлении активно работают международные научные коллаборации, в которых участвуют и российские учёные.

В мире

Основной эксперимент, впервые напрямую показавший, что антиматерия падает вниз под действием земного притяжения, был проведён на установке ALPHA-g в ЦЕРН (Европейская организация по ядерным исследованиям, Швейцария). Учёные из международной коллаборации ALPHA (Antihydrogen Laser Physics Apparatus) в 2023 году впервые измерили ускорение свободного падения атомов антиводорода — простейшего атома антиматерии, состоящего из антипротона и позитрона.

Результаты показали, что антиматерия ведёт себя под действием гравитации так же, как и обычная материя: она падает вниз, а не отталкивается. Значение ускорения свободного падения для антиводорода оказалось близким к g≈9.8 м/с2g \approx 9.8~\text{м/с}^2g≈9.8 м/с2, что подтверждает принцип эквивалентности Эйнштейна для антиматерии.

Также в ЦЕРНе ведётся эксперимент AEGIS (Antimatter Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy), цель которого — более точное измерение гравитационного ускорения антиводорода с помощью интерферометрии, а также проверка CPT-симметрии — одного из фундаментальных принципов физики частиц.

В России

Российские учёные активно участвуют в этих исследованиях, в частности, через Институт ядерных исследований Российской академии наук (ИЯИ РАН). Сотрудники ИЯИ РАН:

• Участвуют в эксперименте AEGIS в ЦЕРНе.
• Разработали оригинальные методы по созданию и ускорению пучков атомов антиводорода.
• Предложили способ формирования коллимированного пучка холодного антиводорода с помощью импульсного электрического поля, что повышает точность измерений.
• Занимаются теоретическим обоснованием поиска «новой физики» в редких распадах позитрония — вещества, необходимого для синтеза антиводорода.

Таким образом, хотя эксперименты проводятся за пределами России, российская наука играет важную роль в разработке методов и теоретической базы исследований антиматерии.

Почему это важно?

Эти эксперименты помогают ответить на один из главных вопросов физики:
Почему во Вселенной почти нет антиматерии?
Согласно теории Большого взрыва, материи и антиматерии должно было образоваться поровну. Но сегодня мы наблюдаем почти исключительно материю. Если бы антиматерия вела себя иначе в гравитационном поле (например, отталкивалась), это могло бы объяснить её исчезновение. Однако пока данные указывают на то, что гравитация действует на неё так же, как на материю.

Перспективы

Учёные планируют повысить точность измерений в будущих сериях экспериментов на модернизированной установке ALPHA-g, чтобы выявить даже малейшие отклонения. Это может открыть путь к новой физике за пределами Стандартной модели.

На сегодняшний день подтверждено: антиматерия не обладает антигравитацией — она падает вниз, как и всё остальное.

Автор: Дмитрий Рудик
Источник: https://nplus1.ru/