Gdybyś upuścił antymaterię, spadłaby w dół czy w górę? W unikalnym eksperymencie laboratoryjnym naukowcy zaobserwowali ścieżkę w dół, jaką podążają poszczególne atomy antywodoru, dostarczając ostatecznej odpowiedzi: antymateria spada.
Potwierdzając, że antymateria i zwykła materia są przyciągane grawitacyjnie, odkrycie wyklucza również odpychanie grawitacyjne jako powód, dla którego w obserwowalnym wszechświecie w dużej mierze brakuje antymaterii.
Naukowcy z międzynarodowej współpracy Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA) w CERN w Szwajcarii opublikowali dzisiaj swoje odkrycia w czasopiśmie Nature. Partnerstwa Energetycznego w programie Podstawowej Nauki i Inżynierii Plazmy.
„Sukces współpracy w ramach projektu ALPHA jest świadectwem znaczenia pracy zespołowej na różnych kontynentach i w społecznościach naukowych” – mówi Wiaczesław „Sława” Łukin, dyrektor programowy w Wydziale Fizyki NSF. „Zrozumienie natury antymaterii może nam pomóc nie tylko zrozumieć, jak powstał nasz Wszechświat, ale także umożliwić wprowadzenie nowych innowacji, o których wcześniej nie myśleliśmy, że są możliwe – takich jak skany pozytonowej tomografii emisyjnej (PET), które uratowały wiele istnień ludzkich dzięki zastosowaniu naszej wiedzy o antymaterii do wykrywania guzy nowotworowe w organizmie.”
Nieuchwytny, lotny bliźniak materii
Poza wyimaginowanymi napędami warp napędzanymi antymaterią i torpedami fotonowymi ze Star Trek, antymateria jest całkowicie realna, choć w tajemniczy sposób rzadka.
„Ogólna teoria względności Einsteina mówi, że antymateria powinna zachowywać się dokładnie tak samo jak materia” – powiedział Jonathan Wurtele, fizyk plazmy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley i członek współpracy ALPHA. „Wiele pośrednich pomiarów wskazuje, że grawitacja oddziałuje z antymaterią zgodnie z oczekiwaniami” – dodał – „ale aż do dzisiejszych wyników nikt tak naprawdę nie przeprowadził bezpośrednich obserwacji, które mogłyby na przykład wykluczyć ruch antywodoru w polu grawitacyjnym w górę, a nie w dół. “
Nasze ciała, Ziemia i większość wszystkiego, o czym wiedzą naukowcy we wszechświecie, składają się w przeważającej mierze ze zwykłej materii składającej się z protonów, neutronów i elektronów, takich jak atomy tlenu, węgla, żelaza i innych pierwiastków układu okresowego.
Z drugiej strony antymateria jest bliźniaczą materią, choć ma pewne przeciwne właściwości. Na przykład antyprotony mają ładunek ujemny, podczas gdy protony mają ładunek dodatni. Antyelektrony (znane również jako pozytony) są dodatnie, podczas gdy elektrony są ujemne.
Jednak być może największe wyzwanie dla eksperymentatorów: „Gdy tylko antymateria dotknie materii, wybucha” – powiedział członek współpracy ALPHA i fizyk z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, Joel Fajans.
Połączona masa materii i antymaterii zostaje całkowicie przekształcona w energię w reakcji tak potężnej, że naukowcy nazywają ją anihilacją.
„Dla danej masy takie anihilacje są najgęstszą formą uwalniania energii, jaką znamy” – dodał Fajans.
Jednak ilość antymaterii użytej w eksperymencie ALPHA jest tak mała, że energia wytworzona w wyniku anihilacji antymaterii/materii jest dostrzegalna tylko przez czułe detektory.
„Mimo to musimy bardzo ostrożnie manipulować antymaterią, w przeciwnym razie ją stracimy” – powiedział Fajans.
Zrzucanie bomby antymaterii
„Mówiąc ogólnie, tworzymy antymaterię i przeprowadzamy eksperyment przypominający Krzywą Wieżę w Pizie” – powiedział Wurtele, odnosząc się do prostszego intelektualnego przodka swojego eksperymentu, być może apokryficznego eksperymentu Galileusza z XVI wieku, który demonstrował identyczne przyspieszenie grawitacyjne dwóch jednocześnie upuszczonych obiektów o podobnej objętości, ale różnej masie. „Wypuszczamy antymaterię i sprawdzamy, czy pójdzie w górę, czy w dół”.
W eksperymencie ALPHA antywodór znajdował się w wysokiej cylindrycznej komorze próżniowej ze zmienną pułapką magnetyczną, zwaną ALPHA-g. Naukowcy zmniejszyli siłę górnego i dolnego pola magnetycznego pułapki do czasu, aż atomy antywodoru mogły uciec i stał się widoczny stosunkowo słaby wpływ grawitacji.
Gdy każdy atom antywodoru wydostał się z pułapki magnetycznej, dotknął ścian komory powyżej lub poniżej pułapki i uległ anihilacji, co naukowcy byli w stanie wykryć i policzyć.
Naukowcy powtórzyli eksperyment kilkanaście razy, zmieniając natężenie pola magnetycznego na górze i na dole pułapki, aby wykluczyć możliwe błędy. Zaobserwowali, że gdy osłabione pola magnetyczne były dokładnie zrównoważone na górze i na dole, około 80% atomów antywodoru uległo anihilacji pod pułapką – wynik zgodny z tym, jak zachowywałaby się chmura zwykłego wodoru w tych samych warunkach.
Zatem grawitacja powodowała opadanie antywodoru.
Tajemnica materii i antymaterii
Pomimo pewnych skromnych źródeł antymaterii – takich jak pozytony emitowane w wyniku rozpadu potasu, nawet w bananie – naukowcy nie widzą jej zbyt wiele we wszechświecie. Jednakże prawa fizyki przewidują, że antymateria powinna występować w mniej więcej równych ilościach co zwykła materia. Naukowcy nazywają tę zagadkę problemem bariogenezy.
Jednym z potencjalnych wyjaśnień jest to, że podczas Wielkiego Wybuchu antymateria została odepchnięta grawitacyjnie przez zwykłą materię, chociaż nowe odkrycia sugerują, że teoria ta nie wydaje się już wiarygodna.
„Wykluczyliśmy, że antymateria jest odpychana przez siłę grawitacji, a nie przyciągana” – powiedział Wurtele. Nie oznacza to, że nie ma różnicy w sile grawitacji działającej na antymaterię – dodaje. Dopiero dokładniejszy pomiar pokaże.
Naukowcy współpracujący w ramach projektu ALPHA będą w dalszym ciągu badać naturę antywodoru. Oprócz udoskonalenia pomiarów wpływu grawitacji badają także interakcję antywodoru z promieniowaniem elektromagnetycznym za pomocą spektroskopii.
„Gdyby antywodór różnił się w jakiś sposób od wodoru, byłaby to rewolucyjna rzecz, ponieważ prawa fizyczne, zarówno mechaniki kwantowej, jak i grawitacji, mówią, że zachowanie powinno być takie samo” – powiedział Wurtele. „Jednak nie wiadomo, dopóki nie przeprowadzi się eksperymentu”.