Fysikere præsenterer det første direkte bevis for, hvordan antomerets atomer interagerer med tyngdekraften
Atomer, der udgør almindeligt stof, falder ned, så falder antimaterielle atomer op? Oplever de tyngdekraften på samme måde som almindelige atomer, eller er der noget som antigravitet?
Disse spørgsmål har længe været fascineret af fysikere, siger Joel Fajans fra det amerikanske energiministerium Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), fordi "i det usandsynlige tilfælde, at antimateriale falder opad, ville vi grundlæggende revidere vores syn på fysik og genoverveje, hvordan universet fungerer. ”
Indtil videre er alle beviser for, at tyngdekraften er den samme for stof og antimaterie, indirekte, så Fajans og hans kollega Jonathan Wurtele, begge ansatte forskere ved Berkeley Labs Accelerator and Fusion Research Division og professorer i fysik ved University of California i Berkeley - som såvel som førende medlemmer af CERNs internationale ALPHA-eksperiment - besluttede at bruge deres igangværende antihydrogen-forskning til direkte at tackle problemet.Hvis tyngdekraftets interaktion med anti-atomer er uventet stærk, indså de, ville afvikelsen ses i ALPHAs eksisterende data om 434 anti-atomer.
Partikel spor i et sky kammer. Kredit: Fysisk central
De første resultater, der målte forholdet mellem antihydrogen's ukendte tyngdekraft og dens kendte trækningsmasse, udlignede ikke sagen. Langt fra. Hvis et antihydrogenatom falder nedad, er dens tyngdekraft ikke mere end 110 gange større end dets inertielle masse. Hvis den falder opad, er dens gravitationsmasse højst 65 gange større.
Hvad resultaterne viser, er, at det er muligt at måle antimateriale tyngdekraften ved hjælp af en eksperimentel metode, der peger mod meget større præcision i fremtiden. De beskriver deres teknik i 30. april 2013, udgaven af Nature Communications.
Sådan måles et faldende anti-atom
ALPHA skaber antihydrogenatomer ved at forene enkle antiprotoner med enkeltpositroner (antielektroner) og holder dem i en stærk magnetisk fælde. Når magneterne er slukket, berører anti-atomerne snart det almindelige stof i fældenes vægge og udslettes med strømglimt, der peger på hvornår og hvor de rammer. I princippet, hvis eksperimenterne kendte et anti-atoms nøjagtige placering og hastighed, når fælden slukkes, er alt, hvad de skal gøre, at måle, hvor lang tid det tager at falde til væggen.
ALPHAs magnetiske felter slukkes dog ikke med det samme; næsten 30 tusindedele af et sekund passerer inden markerne forfalder til næsten nul. I mellemtiden forekommer blink over hele fældevæggene til tider og steder, der afhænger af anti-atommernes detaljerede, men ukendte startplaceringer, hastigheder og energier.
Wurtele siger, ”Partikler, der slipper for sent, har meget lav energi, så tyngdekraftens indflydelse er mere synlig på dem. Men der var meget få sent undslippe anti-atomer; kun 23 af de 434 slap væk efter at marken var blevet slukket i 20 tusindedels sekund. ”
Forskere fra Berkeley Lab og UC Berkeley har brugt data fra ALPHA-eksperimentet ved CERN til direkte at måle antimateriale tyngdekraften. lustration af Chukman Så
Fajans og Wurtele arbejdede med deres ALPHA-kolleger og med Berkeley Lab-medarbejdere, UC Berkeley-lektor Andrew Charman og postdoc Andre Zhmoginov for at sammenligne simuleringer med deres data og adskille tyngdekraftens effekter fra magnetfeltstyrken og partikelenergi. Der var meget statistisk usikkerhed.
”Er der sådan noget som antigravitet? Baseret på tester med frit fald indtil videre kan vi ikke sige ja eller nej, ”siger Fajans. ”Dette er det første ord, dog ikke det sidste.”
ALPHA opgraderes til ALPHA-2, og præcisionstest kan være mulig om et til fem år. Anti-atomerne bliver laserafkølet for at reducere deres energi, mens de stadig er i fælden, og magnetfelterne falder langsommere, når fælden slukkes, hvilket øger antallet af lavenergibegivenheder. Spørgsmål, som fysikere og ikke-fysikere har undret sig over i mere end 50 år, vil blive underkastet test, der ikke kun er direkte, men som kan være endelige.
Noter
Hvis antimateriale falder opad, kan det muligvis forklare kosmologiske observationer uden at ty til mørkt stof eller mørk energi, som menes at eksistere, fordi eksperimentelle observationer kan forklares inden for rammerne af konventionelle teorier om universet. Men hvad hvis disse teorier er forkerte? En lille, men stabil strøm af papirer diskuterer denne mulighed og er en del af motivationen til at studere, hvordan tyngdekraften opfører sig mod antimaterie.
Gravitationsmasse og inertial masse (modstand mod acceleration) menes at være identiske, en antagelse kendt som det svage ækvivalensprincip. Der er endnu ikke noget direkte eksperimentelt bevis på det modsatte. I årevis har der været kontinuerlige spekulationer om, at antimaterie kunne være anderledes. Selvom der er mange indirekte indikationer på, at det svage ækvivalensprincip også gælder for antimateriale, har der aldrig været nogen direkte test - det vil sige en test med frit fald.
Via Berkeley Lab