На представленном изображении запечатлен фрагмент из известного американского художественного фильма «Ангелы и Демоны» (Columbia Pictures, 2009). В ходе исследований ученые из ЦЕРНа однозначно установили, что гравитационное поле Земли оказывает некое воздействие на все частицы антивещества, притягивая их к планете. Для верификации данного факта был проведен высокоточный эксперимент с использованием установки ALPHA-g, предназначенной для наблюдения за вертикальным перемещением атомов антиводорода. Результаты исследования были недавно опубликованы в научном журнале Nature. Согласно физическим принципам, каждая частица имеет соответствующую ей античастицу, обладающую идентичной массой, но противоположным электрическим зарядом и другими характеристиками взаимодействия.

На сегодняшний день физики достигли возможности не только синтезировать отдельные элементарные частицы антивещества, но и объединять их в атомы антиматерии, удерживать в магнитных ловушках и осуществлять лазерное охлаждение.

Самым простым атомом антивещества является антиводород, в состав которого входят антипротон и позитрон — античастица для 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 аннигиляционным 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

Исследованиями гравитационного поведения антиматерии на международном уровне активно занимается научная коллаборация ALPHA, работающая в ЦЕРН (Европейская организация по ядерным исследованиям, Женева, Швейцария). Именно эта группа физиков впервые напрямую наблюдала, как гравитация Земли действует на атомы антиматерии — в частности, на антиводород.

Эксперимент проводился на специальной установке ALPHA-g, построенной в 2018 году. Учёные накапливали атомы антиводорода в магнитной ловушке, а затем отключали её, чтобы посмотреть, в каком направлении начнут двигаться частицы под действием гравитации. Результаты, опубликованные в журнале Nature в сентябре 2023 года, показали, что антиматерия падает вниз, то есть притягивается Землёй так же, как и обычная материя. Это подтверждает принцип эквивалентности Эйнштейна и опровергает гипотезы об «антигравитации» антиматерии.

Хотя сам ЦЕРН находится за пределами России, в проекте ALPHA участвуют исследователи из разных стран, включая российские научные центры. Например, в таких крупных физических коллаборациях часто задействованы специалисты из:

• Института теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) — Москва
• Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ) — Дубна, Россия
• Московского физико-технического института (МФТИ)
• Санкт-Петербургского политехнического университета и других ведущих вузов

Российские физики вносят вклад в разработку детекторов, анализ данных и теоретическое моделирование, связанное с поведением антиматерии.

Кроме того, ранее в 2011 году спутниковый эксперимент PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics), в котором также участвовали российские учёные, обнаружил пояс из антипротонов вокруг Земли — он находится между радиационными поясами Ван Аллена. Этот проект подтвердил, что магнитное поле Земли способно удерживать частицы антиматерии, по крайней мере на короткое время, прежде чем они аннигилируют с обычной материей.

Таким образом, хотя ключевые прямые измерения проводятся в ЦЕРНе, Россия участвует в исследованиях антиматерии на уровне ведущих мировых лабораторий, внося значительный вклад как в экспериментальную, так и в теоретическую физику.

На сегодняшний день (2026 год) установка ALPHA-g продолжает модернизироваться, чтобы повысить точность измерений примерно на два порядка — это позволит проверить возможные отклонения от классической гравитации с ещё большей чувствительностью.

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