Ученые сделали ключевое открытие об антиматерии — загадочном веществе, которое было изобильно присутствующим при зарождении Вселенной.
Антиматерия является противоположностью вещества, из которого состоят звезды и планеты.
Обе были созданы в равных количествах при Большом взрыве, сформировавшем нашу Вселенную. И в то время как вещество повсюду, его противоположность теперь крайне сложно найти.
Последнее исследование выявило, что обе реагируют на гравитацию одинаковым образом.
В течение многих лет физики пытались открыть различия и сходства между ними, чтобы объяснить, как возникла Вселенная.
Открытие того, что антиматерия поднимается в ответ на гравитацию, а не падает, могло бы разрушить то, что мы знаем о физике.
Теперь они впервые подтвердили, что атомы антиматерии падают вниз. Но это далеко не тупик научных исследований, а, наоборот, открывает двери для новых экспериментов и теорий. Например, падает ли она с той же скоростью?
Во время Большого взрыва вещество и антиматерия должны были объединиться и аннигилировать друг друга, не оставив ничего, кроме света. Почему этого не произошло, остается одной из великих тайн физики, и раскрытие различий между ними является ключом к ее разгадке.
Каким-то образом вещество преодолело антиматерию в те первые моменты творения. Как оно реагирует на гравитацию, может быть ключом к разгадке, считает доктор Даниэль Ходжкинсон, член исследовательской группы в ЦЕРН в Швейцарии, крупнейшей в мире лаборатории по физике элементарных частиц.
"Мы не понимаем, как наша Вселенная стала доминирующей веществом, и именно это мотивирует наши эксперименты", - сказала она мне.
Большинство антиматерии существует лишь мельчайшее мгновение во Вселенной, всего лишь доли секунды. Чтобы проводить эксперименты, команда ЦЕРНу было необходимо создать ее в стабильной и долговременной форме.
Профессор Джеффри Хэнгст потратил тридцать лет на создание установки для тщательного создания тысяч атомов антиматерии из субатомных частиц, их ловли и последующего изучения.
"Антиматерия - это просто крутейшая, самая загадочная вещь, которую вы можете себе представить", - сказал он мне.
"Насколько нам известно, вы могли бы построить вселенную, и мы с вами могли бы состоять из чистой антиматерии", - сказал профессор Хэнгст.
"Это вдохновляет думать об этом; это один из наиболее фундаментальных вопросов о том, что это за вещество и как оно ведет себя".
Что такое антиматерия?
Начнем с того, что такое вещество: Все в нашем мире состоит из вещества, из мельчайших частиц, называемых атомами.
Самый простой атом - это атом водорода. Он составляет большую часть Солнца. Атом водорода состоит из положительно заряженного протона в центре и отрицательно заряженного электрона, который вращается вокруг него.
В случае с антиматерией электрические заряды обращены в обратную сторону.
Возьмем антиводород, который представляет собой антиматериальную версию водорода, используемую в экспериментах ЦЕРН. В нем есть отрицательно заряженный протон (антипротон) в центре и положительная версия электрона (позитрон), вращающаяся вокруг него.
Эти антипротоны производятся при столкновении частиц в ускорителях ЦЕРН. Они поступают в лабораторию антиматерии по трубам со скоростью, близкой к скорости света. Это слишком высокая скорость для того, чтобы их можно было контролировать исследователями.
Первый этап - замедление, которое исследователи осуществляют, направляя антипротоны вокруг кольца. Это позволяет избавиться от части их энергии, пока они не начнут двигаться с более управляемой скоростью.
Антипротоны и позитроны затем направляются в гигантский магнит, где они смешиваются, образуя тысячи атомов антиводорода.
Магнит создает магнитное поле, которое удерживает антиводород. Если бы он коснулся стенки контейнера, он мгновенно уничтожился бы, потому что антиматерия не может выжить в контакте с нашим миром.
Когда магнитное поле отключается, атомы антиводорода освобождаются. Затем сенсоры определяют, упали они вверх или вниз.
Некоторые теоретики предполагали, что антиматерия может "падать" вверх, хотя большинство, в том числе Альберт Эйнштейн своей Общей теорией относительности более ста лет назад, утверждают, что антиматерия должна вести себя так же, как и обычное вещество, и "падать" вниз.
Исследователи в ЦЕРН теперь подтвердили, с наибольшей степенью уверенности, что Эйнштейн был прав.
Однако то, что антиматерия не "падает" вверх, не означает, что она "падает" вниз с точно такой же скоростью, как и обычное вещество.
Для следующих шагов в исследованиях команда модернизирует свой эксперимент, чтобы сделать его более чувствительным, и увидеть, есть ли небольшая разница в скорости "падения" антиматерии.
Если это так, то это может дать ответ на один из самых больших вопросов: как возникла Вселенная.
