Antymateria reaguje na grawitację w taki sam sposób, jak zwykła materia

W niedawno przeprowadzonym eksperymencie zespół ALPHA (Antihydrogen Laser Physics Apparatus) z Europejskiego Centrum Badań Jądrowych CERN w Genewie uzyskał pierwszy bezpośredni pomiar swobodnie opadającej antymaterii. Rezultaty doświadczeń wykazały, że antymateria w polu grawitacyjnym Ziemi zachowuje się tak samo jak zwykła materia. Odkrycia te nie zaskoczyły fizyków, ale poddają pod wątpliwość niektóre niekonwencjonalne teorie sugerujące, że grawitacja raczej odpycha antymaterię, a nie ją przyciąga. Przeprowadzone doświadczenia pokazują, że przynajmniej w przypadku antymaterii antygrawitacja nie istnieje.

Wyniki i opis badań ukazały na łamach pisma "Nature" (DOI: 10.1038/s41586-023-06527-1).

Pomiary przyspieszenia grawitacyjnego antymaterii wykazały, że jest ono zbliżone do przyspieszenia grawitacyjnego zwykłej materii i wynosi 9,81 metra na sekundę do kwadratu. - Antymateria z pewnością przyspiesza w dół – powiedział Joel Fajans, profesor fizyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, który wraz z teoretykiem Jonathanem Wurtele jest autorem przeprowadzonego eksperymentu. - Konkluzja jest taka, że nie będziemy w stanie lewitować za pomocą antymaterii - dodał.

Wynik nie zaskoczy fizyków. Ogólna teoria względności Alberta Einsteina, choć powstała przed odkryciem antymaterii w 1932 r., traktuje całą materię identycznie, co sugeruje, że antymateria i materia w ten sam sposób reagują na siły grawitacyjne. Cała normalna materia, taka jak protony, neutrony i elektrony, ma swoje odpowiedniki w postaci antycząstek, które mają przeciwny ładunek elektryczny (i kilka innych cech kwantowych), a gdy napotkają swoje "lustrzane odbicia" w normalnej materii, ulegają anihilacji.

- W tym eksperymencie po raz pierwszy dokonano bezpośredniego pomiaru siły grawitacji na obojętnej antymaterii. To kolejny krok w rozwoju dziedziny nauki o neutralnej antymaterii - powiedział Wurtele, profesor fizyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. - Inny wynik wynik miałby poważne implikacje – dodał.

Fajans zauważył, że żadna teoria fizyczna tak naprawdę nie przewiduje, że grawitacja powinna odpychać antymaterię. Niektórzy fizycy twierdzą, że gdyby tak było, można by stworzyć perpetuum mobile, co jest teoretycznie niemożliwe.

Niemniej jednak pomysł, że grawitacja może w różny sposób oddziaływać na antymaterię i materię, był kuszący, ponieważ mógłby potencjalnie wyjaśnić pewne kosmiczne zagadki. Gdyby tak było, to mogło by to prowadzić na przykład do przestrzennego oddzielenia materii i antymaterii we wczesnym Wszechświecie, co by wyjaśniało, dlaczego w otaczającym nas kosmosie widzimy tylko niewielką ilość antymaterii. Większość teorii przewiduje, że podczas Wielkiego Wybuchu, który dał początek Wszechświatowi, powinny powstać równe ilości materii i antymaterii.

Ale obserwacja tego zjawiska przez dziesięciolecia umykała fizykom. - Prawdziwym problemem jest to, że siły grawitacji są niewiarygodnie słabe w porównaniu z siłami elektrycznymi – powiedział Fajans i dodał, że część eksperymentów poległa przez to, że "bezpośredni pomiar grawitacji z naładowaną cząstką, np. pozytonem, nie jest możliwy, ponieważ jakiekolwiek rozproszone pole elektryczne odchyli cząstkę znacznie bardziej niż grawitacja".

W rzeczywistości siła grawitacji jest najsłabszą z czterech znanych oddziaływań podstawowych, obok oddziaływań słaby, silnych i oddziaływań elektromagnetycznych. Dominuje we Wszechświecie, ponieważ – przynajmniej teoretycznie – wpływa na całą materię na ogromnych odległościach. Ale w przypadku maleńkiego kawałka antymaterii efekt jest znikomy. Pole elektryczne o natężeniu jednego wolta na metr wywiera na antyproton siłę około 40 bilionów razy większą niż siła grawitacji wywierana na antyproton.

Zespół fizyków zrzeszony w projekcie ALPHA zasugerował nowe podejście. Do 2010 roku w CERN wychwytywano znaczne ilości atomów antywodoru, dlatego też Wurtele zaproponował, że skoro antywodór ma ładunek neutralny, pola elektryczne nie będą na niego wpływać, co powinno pozwolić na pomiar grawitacji.

Dalsze analizy tej koncepcji skłoniły badaczy do przeprowadzenia nowego eksperymentu - ALPHA-g, w ramach którego pierwsze pomiary wykonano latem i jesienią 2022 roku. Wyniki opublikowane w Nature opierają się na symulacjach i analizie statystycznej tego, co zespół zaobserwował w zeszłym roku. Rezultaty pokazały, że prawdopodobieństwo, iż grawitacja będzie odpychać antymaterię, jest tak małe, że nie ma żadnego znaczenia.

Źródło: University of California – Berkeley, Science, fot. U.S. National Science Foundation