Для тех, кто все еще надеется, что антивещество левитирует, а не падает в гравитационном поле, как обычная материя, результаты нового эксперимента являются дозой холодной реальности. Физики, изучающие антиводород — антипротон в паре с антиэлектроном или позитроном — убедительно доказали, что гравитация тянет его вниз, а не толкает вверх. По крайней мере, для антиматерии антигравитации не существует. Результаты эксперимента были опубликованы в выпуске журнала Nature от 28 сентября группой, представляющей коллаборацию Антиводородного лазерного физического аппарата (АЛЬФА) в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве, Швейцария. Гравитационное ускорение антиматерии, которое обнаружила команда, близко к ускорению обычной материи на Земле: 1 g, или 9,8 метра в секунду в секунду (32 фута в секунду в секунду). Точнее, было обнаружено, что она находится в пределах примерно 25% (одно стандартное отклонение) от нормальной силы тяжести. «Оно, безусловно, ускоряется вниз, и его ускорение находится в пределах одного стандартного отклонения от нормальной скорости», — сказал Джоэл Фаджанс, профессор физики Калифорнийского университета в Беркли, который вместе с коллегой-теоретиком Джонатаном Вюртеле впервые предложил эксперимент более десяти лет назад. «Суть в том, что бесплатного обеда не существует, и мы не сможем левитировать, используя антивещество».
Результат не удивит большинство физиков. Общая теория относительности Альберта Эйнштейна, хотя и была задумана до открытия антиматерии в 1932 году, рассматривает всю материю одинаково, подразумевая, что антиматерия и материя одинаково реагируют на гравитационные силы. Вся нормальная материя, такая как протоны, нейтроны и электроны, имеет античастицы, которые несут противоположный электрический заряд и, когда они сталкиваются со своим аналогом из обычной материи, полностью аннигилируют. «Противоположный результат имел бы большие последствия; он был бы несовместим со слабым принципом эквивалентности общей теории относительности Эйнштейна», — сказал Вуртеле, профессор физики Калифорнийского университета в Беркли. «Этот эксперимент — первое прямое измерение силы гравитации на нейтральной антиматерии. Это еще один шаг в развитии науки о нейтральной антиматерии». Фаянс отметил, что ни одна физическая теория на самом деле не предсказывает, что гравитация должна отталкивать антиматерию. Некоторые физики утверждают, что если бы это было так, можно было бы создать вечный двигатель, что теоретически невозможно.
Тем не менее, идея о том, что гравитация может по-разному влиять на антиматерию и материю, была заманчивой, поскольку потенциально могла объяснить некоторые космические загадки. Например, это могло привести к пространственному разделению материи и антиматерии в ранней Вселенной, объясняя, почему мы видим лишь небольшое количество антиматерии во Вселенной вокруг нас. Большинство теорий предсказывают, что во время Большого взрыва, породившего Вселенную, должно было образоваться равное количество материи и антиматерии. По словам Фаянса, было проведено множество экспериментов, все косвенные, которые убедительно доказывают, что антивещество гравитационно нормально, но эти эксперименты были относительно тонкими. «Вы можете спросить, почему бы не провести очевидный эксперимент и не бросить кусок антиматерии, что-то вроде эксперимента с падающей Пизанской башней? Вы знаете, эксперимент, который Галилей на самом деле не проводил — это был апокриф — где он якобы уронил свинец мяч и деревянный шар с вершины башни и доказали, что они оба достигли земли одновременно", - сказал он.
«Настоящая проблема заключается в том, что гравитационная сила невероятно слаба по сравнению с электрическими силами», — добавил Фаянс. «До сих пор оказалось невозможным напрямую измерить гравитацию с помощью измерения в виде капли с заряженной частицей, такой как голый позитрон, потому что любое рассеянное электрическое поле будет отклонять частицу гораздо сильнее, чем гравитация». Фактически, сила гравитации — самая слабая из четырех известных сил природы. Он доминирует в эволюции Вселенной, потому что вся материя — теоретически — находится под его влиянием на огромных расстояниях. Но для крошечного кусочка антивещества эффект ничтожен. Электрическое поле напряженностью 1 вольт/метр воздействует на антипротон с силой, которая примерно в 40 триллионов раз превышает силу гравитации, действующую на него со стороны планеты Земля. Сотрудничество АЛЬФА в ЦЕРНе предложило Вюртеле новый подход. К 2010 году команда АЛЬФА захватила значительное количество атомов антиводорода, а в 2011 году Вуртеле настоял на том, чтобы Фаянс сказал, что, поскольку антиводород нейтрален по заряду, на него не будут влиять электрические поля, и им следует изучить возможность измерения гравитации.
Фаянс отвергал эту идею в течение многих месяцев, но в конце концов его убедили отнестись к ней достаточно серьезно, чтобы провести несколько симуляций, которые показали, что идеи Вуртеле заслуживают внимания. Преподаватель Калифорнийского университета в Беркли Эндрю Чарман и научный сотрудник Андрей Жмогинов приняли участие и поняли, что ретроспективный анализ предыдущих данных может обеспечить очень грубые ограничения на гравитационные взаимодействия антивещества с Землей. С помощью коллег из АЛЬФА это привело к созданию статьи, в которой был сделан вывод, что антиводород испытывает не более чем в 100 раз большее ускорение — в направлении вверх или вниз — из-за гравитации Земли, по сравнению с обычным веществом. Тем не менее этот неутешительный старт убедил команду АЛЬФА провести эксперимент для более точных измерений. В 2016 году коллаборация приступила к строительству нового эксперимента АЛЬФА-g, первые измерения которого были проведены летом и осенью 2022 года.
Результаты, опубликованные в журнале Nature, основаны на моделировании и статистическом анализе того, что команда наблюдала в прошлом году, и определяют гравитационную постоянную антивещества на уровне 0,75 ± 0,13 ± 0,16 г, или, если объединить статистические и систематические ошибки, 0,75 ± 0,29 г. , что находится в пределах погрешности 1 г. Команда пришла к выводу, что вероятность того, что гравитация отталкивает антиматерию, настолько мала, что бессмысленна. По словам Фаянса и Вуртеле, в организации и проведении эксперимента участвовало по меньшей мере дюжина студентов-физиков Калифорнийского университета в Беркли, многие из которых представляли группы, мало представленные в области физики. «Для многих студентов Беркли это была прекрасная возможность», — сказал Фаянс. «Это забавные эксперименты, и наши студенты многому учатся». План создания АЛЬФА-g, предложенный Вюртеле и Фаянсом, заключался в одновременном удержании около 100 атомов антиводорода в магнитной бутылке длиной 25 сантиметров. АЛЬФА может удерживать только атомы антиводорода, имеющие температуру менее половины градуса выше абсолютного нуля, или 0,5 Кельвина.
Даже при такой чрезвычайно низкой температуре антиатомы движутся со скоростью в среднем 100 метров в секунду, отскакивая сотни раз в секунду от сильных магнитных полей на концах бутылки. (Магнитный дипольный момент атома антиводорода отталкивается зажатыми магнитными полями напряженностью 10 000 Гаусса на каждом конце бутылки.) Если бутылка ориентирована вертикально, атомы, движущиеся вниз, будут ускоряться под действием силы тяжести, а атомы, движущиеся вверх, замедляться. Когда магнитные поля на каждом конце одинаковы, то есть сбалансированы, атомы, движущиеся вниз, будут иметь в среднем больше энергии. Таким образом, они с большей вероятностью прорвутся через магнитное зеркало и попадут в контейнер, аннигилируя во вспышке света и производя от трех до пяти пионов. Пионы обнаруживаются, чтобы определить, улетел ли антиатом вверх или вниз. По словам Фаянса, этот эксперимент похож на стандартные весы, используемые для сравнения очень похожих гирь. Магнитные весы делают относительно небольшую гравитационную силу видимой в присутствии гораздо более крупных магнитных сил, почти так же, как обычные весы делают видимой разницу между 1 килограммом и 1,001 килограмма.
Затем зеркальные магнитные поля очень медленно ослабевают, так что все атомы в конечном итоге ускользают. Если антиматерия ведет себя как обычная материя, больше антиатомов — около 80% — должно выходить снизу, а не сверху. «Балансировка позволяет нам игнорировать тот факт, что все антиатомы имеют разные энергии», — сказал Фаянс. «Те, кто имеет самую низкую энергию, убегают последними, но они по-прежнему подчиняются балансу, и эффект гравитации усиливается для всех антиатомов». Экспериментальная установка также позволяет АЛЬФА делать нижнее магнитное зеркало сильнее или слабее, чем верхнее зеркало, что дает каждому антиатому прирост энергии, который может отменить или преодолеть эффекты гравитации, позволяя равному или большему количеству антиатомов выйти за пределы верхнего зеркала. чем дно. «Это дает нам мощный экспериментальный рычаг, который позволяет нам, по сути, верить, что эксперимент действительно сработал, потому что мы можем доказать себе, что можем контролировать эксперимент предсказуемым образом», — сказал Фаянс.
Результаты пришлось обрабатывать статистически из-за множества неизвестных: исследователи не могли быть уверены, сколько атомов антиводорода они поймали, они не могли быть уверены, что обнаружили каждую аннигиляцию, они не могли быть уверены, что не было каких-то неизвестные магнитные поля, которые могли повлиять на траектории антиатомов, и они не могли быть уверены, что правильно измерили магнитное поле в бутылке. «Компьютерный код АЛЬФА, моделирующий эксперимент, может быть слегка неправильным, потому что мы не знаем точных начальных условий атомов антиводорода, он может быть неправильным, потому что наши магнитные поля неверны, и он может быть неправильным для какого-то неизвестного неизвестного», - сказал Вуртеле. «Тем не менее, контроль, обеспечиваемый регулировкой ручки баланса, позволяет нам исследовать степень любых расхождений, давая нам уверенность в том, что наш результат верен».
Физики Калифорнийского университета в Беркли надеются, что предстоящие усовершенствования ALPHA-g и компьютерных кодов улучшат чувствительность прибора в 100 раз. «Этот результат является результатом групповых усилий, хотя зарождение этого проекта было в Беркли, — сказал Фаянс, — АЛЬФА была разработана для спектроскопии антиводорода, а не для гравитационных измерений этих антиатомов. Предложение Джонатана и мое было полностью ортогонально всем планам по исследованию антиатомов». АЛЬФА, и исследование, вероятно, не состоялось бы без нашей работы и лет одиноких разработок». И хотя нулевой результат можно было бы отбросить как неинтересный, эксперимент также является важным испытанием общей теории относительности, которая на сегодняшний день прошла все остальные проверки.
«Если вы пройдете по коридорам этого отдела и спросите физиков, они все скажут, что этот результат ни в малейшей степени не удивителен. Такова реальность», — сказал Вуртеле. «Но большинство из них также скажут, что эксперимент необходимо было провести, потому что никогда нельзя быть уверенным. Физика — это экспериментальная наука. Вы не хотите быть таким глупым, что не проводите эксперимент, который исследует, возможно, новую физику, потому что вы думали, что знаете ответ, а в итоге получается что-то другое». В мероприятии приняли участие студенты бакалавриата Джош Кловер, Хейли Кальдерон, Майк Дэвис, Джейсон Донс, Хьюс Ландсбергер, Николас Калем Джеймс МакГриви, Далила Робледо, Сара Саиб, Шон Шин, Итан Уорд, Ларри Чжао и Дана Циммер.
