Znanstvenici opovrgli antigravitaciju

Povijesni rad Isaaca Newtona o gravitaciji inspiriran je promatranjem jabuke kako pada na zemlju sa stabla. Ali što je s "anti-jabukom" napravljenom od antimaterije, bi li pala na isti način da postoji? Prema teoriji opće relativnosti Alberta Einsteina, antimaterija i materija bi trebala pasti na tlo na isti način.

U mnogim SF knjigama i filmovima antigravitacija je normalna pojava koja omogućuje autima da lete zrakom bez aerodinamičnih svojstava, zahvaljujući antimaterijskim pogonima. To se temeljilo na hipotezama nekih znanstvenika da se antimaterija odbija gravitacijom ili da se privlači. No može li antimaterija doista stvoriti antigravitaciju?

U radu objavljenom u Natureu, ALPHA tim u CERN-ovoj Tvornici antimaterije pokazuje da atomi antivodika – pozitron koji kruži oko antiprotona – padaju na tlo na isti način kao i njihovi ekvivalenti materije.

"U fizici nešto zapravo ne znate dok to ne promatrate", kaže glasnogovornik ALPHA-e Jeffrey Hangst. “Ovo je prvi izravni eksperiment koji zapravo promatra gravitacijski učinak na gibanje antimaterije. To je prekretnica u proučavanju antimaterije, koja nas još uvijek mistificira zbog svoje očigledne odsutnosti u Svemiru.”

Gravitacija je privlačna sila između bilo koja dva tijela s masom. To je daleko najslabija od četiri temeljne sile prirode. Atomi antivodika su električki neutralne i stabilne čestice antimaterije. Ova svojstva čine ih idealnim sustavima za proučavanje gravitacijskog ponašanja antimaterije.

ALPHA kolaboracija stvara atome antivodika uzimajući negativno nabijene antiprotone, proizvedene i usporene u AD i ELENA strojevima Tvornice antimaterije, i vežući ih s pozitivno nabijenim pozitronima akumuliranim iz izvora natrija-22. Zatim zatvara neutralne – ali blago magnetske – atome antimaterije u magnetsku zamku, koja ih sprječava da dođu u kontakt s materijom i unište se.

Do sada se tim koncentrirao na spektroskopske studije u uređaju ALPHA-2, usmjeravajući lasersko svjetlo ili mikrovalove na atome antivodika kako bi izmjerili njihovu unutarnju strukturu. Ali ALPHA tim također je izgradio vertikalni aparat nazvan ALPHA-g, koji je primio svoje prve antiprotone 2018. i pušten u rad 2021. Oznaka 'g' označava lokalno ubrzanje gravitacije, koje je, za materiju, oko 9,81 metara u sekundi na kvadrat. Ovaj aparat omogućuje mjerenje okomitih položaja na kojima atomi antivodika anihiliraju s materijom nakon što se magnetsko polje zamke isključi, dopuštajući atomima da pobjegnu, kao što možete vidjeti u ovom videu.

To je upravo ono što su istraživači ALPHA-e učinili. Zarobili su skupine od oko 100 atoma antivodika, jednu po jednu skupinu, a zatim su polako otpuštali atome tijekom razdoblja od 20 sekundi postupnim smanjivanjem struje u gornjem i donjem magnetu. Računalne simulacije ALPHA-g postava pokazuju da bi, za materiju, ova operacija rezultirala s oko 20% atoma koji izlaze kroz vrh zamke, a 80% kroz dno, što je razlika uzrokovana silom gravitacije prema dolje. Usrednjavanjem rezultata sedam ispitivanja otpuštanja, ALPHA tim je otkrio da su frakcije antiatoma koji izlaze kroz vrh i dno u skladu s rezultatima simulacija.

Cjelovita studija uključivala je ponavljanje eksperimenta nekoliko puta za različite vrijednosti dodatnog "prednapregnutog" magnetskog polja, koje bi moglo pojačati ili neutralizirati silu gravitacije. Analizirajući podatke iz ovog "bias scana", tim je otkrio da je, unutar preciznosti trenutnog eksperimenta (oko 20% g), ubrzanje atoma antivodika u skladu s poznatom, privlačnom gravitacijskom silom između materije i tla.

"Trebalo nam je 30 godina da naučimo kako napraviti ovaj antiatom, držati ga i kontrolirati dovoljno dobro da ga zapravo možemo ispustiti na način da bude osjetljiv na silu gravitacije," kaže Hangst. "Sljedeći korak je mjerenje ubrzanja što preciznije možemo. Želimo testirati padaju li materija i antimaterija doista na isti način. Očekuje se da će lasersko hlađenje atoma antivodika, koje smo prvi put demonstrirali u ALPHA-2 i koje ćemo implementirati u ALPHA-g kada se tome vratimo 2024. godine, imati značajan utjecaj na preciznost.”

CERN-ova Tvornica antimaterije jedinstveno je postrojenje u svijetu za proizvodnju i proučavanje antimaterije. Druga dva eksperimenta u ovom postrojenju, AEgIS i GBAR, dijele s ALPHA-om cilj visoko preciznog mjerenja gravitacijskog ubrzanja atomske antimaterije. Također, u Tvornici antimaterije je eksperiment BASE. Njegov glavni fokus je visoko precizna usporedba svojstava protona s onima njegovog blizanca antimaterije, a nedavno je usporedio i gravitacijsko ponašanje ovih dviju čestica.