Вчені з’ясували, як на антиматерію впливає гравітація

Автор: Вільям Берч, професор відділу прискорювачів елементарних частинок Манчестерського університету

Речовина, що називається антиматерія, лежить в основі однієї з найбільших таємниць Всесвіту. Ми знаємо, що кожна частинка має власну античастинку, яка практично ідентична їй самій, але з протилежним зарядом. Коли частинка та її античастинка зустрічаються, вони знищують одна одну, зникаючи у спалаху світла.

Згідно з сучасними уявленнями про фізику, під час створення Всесвіту мала виникнути рівна кількість матерії та антиматерії. Але, схоже, цього не сталося, оскільки це призвело б до негайної анігіляції всіх частинок.

Натомість навколо нас багато матерії, але дуже мало антиматерії — навіть далеко в космосі. Ця таємниця привела до грандіозних наукових досліджень, спрямованих на пошук недоліків у теорії або іншого пояснення відсутності антиматерії.

Один з напрямів дослідження цього питання зосереджений на гравітації. Можливо, антиматерія поводиться по-іншому під дією гравітації, рухаючись у протилежному напрямку, порівняно з матерією? Якщо так, то ми, цілком ймовірно, просто перебуваємо в тій частині всесвіту, звідки неможливо спостерігати антиматерію.

Наше нове дослідження, опубліковане в журналі Nature, демонструє, як насправді поводиться антиматерія під впливом гравітації.

Інші підходи до питання, чому ми спостерігаємо більше матерії, ніж антиматерії, охоплюють численні підгалузі фізики. Вони варіюються від астрофізики, яка має на меті спостерігати і передбачати поведінку антиматерії в космосі за допомогою експериментів, до фізики частинок високих енергій, яка досліджує процеси і фундаментальні частинки, що утворюють антиматерію і визначають тривалість їхнього життя.

Хоча спостерігаються незначні відмінності у тривалості існування деяких частинок антиматерії відносно аналогічних частинок матерії, ці результати все ще далекі від адекватного пояснення асиметрії.

Очікується, що фізичні властивості антиводню — атома, що складається з електрона антиматерії (позитрона), зв’язаного з протоном антиматерії (антипротоном) — повністю відповідатимуть властивостям водню. Маючи ті самі хімічні властивості, що й водень, такі як колір і енергія, антиводень, згідно наших очікувань, поводитиметься так само у гравітаційному полі.

Так званий «принцип слабкої еквівалентності» в теорії загальної відносності стверджує, що рух тіл у гравітаційному полі не залежить від їхнього складу. По суті, це означає, що склад об’єкта не впливає на те, як гравітація діє на його рух.

Це передбачення було протестовано з надзвичайно високою точністю для гравітаційних сил з різними частинками матерії, але його ніколи напряму не перевіряли щодо руху антиматерії.

Навіть у випадку з частинками матерії гравітація відокремлена від інших фізичних теорій, оскільки її пояснення ще не об’єднали з теоріями, які описують антиматерію. Спостереження будь-якої відмінності між дією гравітації на антиматерію та матерію може допомогти висвітлити обидва питання.

На сьогоднішній день не існує прямих вимірювань гравітаційного руху антиматерії. Це досить складне завдання, оскільки гравітація є найслабшою силою.

Це означає, що важко відрізнити вплив гравітації від інших зовнішніх чинників. Вимірювання впливу гравітації стало можливим лише завдяки нещодавнім досягненням у створенні стабільної (довготривалої), нейтральної та холодної антиматерії.

Антиматерія в пастці

Наше дослідження проводилось у рамках експерименту ALPHA-g в ЦЕРНі, найбільшій у світі лабораторії з фізики елементарних частинок, розташованій у Швейцарії, який розробили для перевірки впливу гравітації шляхом утримання антиводню у двометровій вертикальній пастці. Антиводень створюють у пастці шляхом поєднання його складників: античастинок позитрона та антипротона.

Позитрони легко утворити за допомогою деяких радіоактивних матеріалів — ми використовували радіоактивну кухонну сіль. Однак для створення холодних антипротонів нам довелося використовувати величезні прискорювачі частинок та унікальний пристрій для сповільнення частинок, який працює в ЦЕРНі.

Обидва складники електрично заряджені і можуть бути захоплені і збережені окремо як антиматерія в спеціальних пристроях, які називають пастками Пенінґа, що складаються з електричних і магнітних полів.

Однак антиатоми не можна утримати у пастках Пенінга, тож ми створили додатковий пристрій під назвою «магнітна пляшкова пастка» (англ. magnet bottle trap), який утримував би антиатоми. Цю пастку створювали магнітні поля, згенеровані численними надпровідними магнітами.

З їхньою допомогою можна було регулювати відносну силу різних сторін пляшки. Якщо послабити верхню та нижню частини пляшки, то атоми зможуть залишити пастку під дією сили тяжіння.

Ми підрахували, скільки антиатомів вирвалося вгору і вниз, зафіксувавши анігіляцію антиматерії, що відбувається при зіткненні антиатомів з частинками навколишньої матерії в пастці. Порівнявши отримані результати з детальними комп’ютерними моделями цього процесу у звичайних атомах водню, ми змогли визначити, як гравітація діє на атоми антиводню.

Наші висновки є першими результатами експерименту ALPHA-g і першим прямим вимірюванням руху антиматерії в гравітаційному полі. Вони демонструють, що гравітація діє на антиводень так само, як і на водень — антиводень рухається вниз, а не вгору, в межах невизначеності експерименту.

Це означає, що наше дослідження емпірично спростувало низку наявних теорій, пов’язаних з так званою «антигравітацією», згідно з якими антиматерія тяжіла б у прямо протилежному напрямку, ніж звичайна матерія.

Поточне дослідження є важливою віхою на шляху досягнення мети експерименту. Подальша робота над експериментом ALPHA-g підвищить його точність завдяки кращому визначенню характеристик і контролю важливих аспектів експерименту, таких як пастки і системи охолодження атомів.

Існує ще багато можливостей для пошуку нових результатів, які допоможуть пояснити асиметрію матерії та антиматерії. Фізика покликана описувати видиму реальність, та завжди можуть бути сюрпризи в тому, як влаштований світ.

Стаття вперше була опублікована англійською мовою під назвою «Antimatter: we cracked how gravity affects it — here’s what it means for our understanding of the universe» в журналі The Conversation 27 вересня 2023 року.

Переклали Ліана Верещака та Ірина Тесленко