Физики из ЦЕРНа выяснили, что гравитация Земли притягивает атомы антивещества. Для этого они провели высокоточный эксперимент при помощи установки ALPHA-g, в котором наблюдали направление движения атомов антиводорода в вертикальном направлении. Результаты эксперимента опубликованы в журнале Nature.
Для каждой частицы существуют античастицы. Они обладают той же массой, но противоположны по электрическому заряду и другим числам, характеризующим взаимодействие. Физики уже научились не только получать отдельные частицы антивещества, но и собирать их в атомы антиматерии, накапливать эти атомы в магнитных ловушках и даже охлаждать при помощи лазера. 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. Более подробно о том, что такое антиматерия, читайте в нашем материале «С точностью до наоборот».
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 анигиляционным 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.
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.
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.
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.