Антигравитация опровергнута: антиматерия реагирует на гравитацию так же, как и обычная материя

Антивещество интересовало и приводило в замешательство физиков на протяжении почти столетия, а влияние гравитации на антивещество (антиматерию) было предметом разногласий. Новое исследование, возможно, разрешило спор, обнаружив, что атомы антиводорода, аналог водорода из антивещества, подвергаются гравитации так же, как и их эквиваленты из обычной материи, что исключает существование отталкивающей «антигравитации».

В семнадцатом веке Исаак Ньютон предложил свою теорию гравитации после того, как увидел, как яблоко падает с дерева, и задался вопросом, почему оно упало прямо вниз, а не вбок или не улетело вверх.

Столетия спустя Альберт Эйнштейн разработал свою общую теорию относительности, которая остается наиболее успешным и проверенным описанием гравитации. Однако там не было антиматерии.

В 1928 году британский физик Поль Дирак предположил, что у каждой частицы существует соответствующая античастица, предсказывая существование позитрона (или антиэлектрона), который впервые наблюдался в 1932 году.

С тех пор было много спекуляций о взаимодействии гравитации и антивещества: одни утверждают, что антивещество отталкивается гравитацией, а другие – что оно притягивается.

Новое исследование, проведенное в сотрудничестве с Антиводородным лазерным физическим аппаратом (АЛЬФА, Antihydrogen Laser Physics Apparatus — ALPHA) в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН), возможно, разрешило этот спор, обнаружив, что атомы антиводорода, аналога водорода из антивещества, падают на Землю так же, как их материальные эквиваленты.

«В физике вы ничего не узнаете, пока не увидите это», — сказал Джеффри Хангст, автор исследования.

«Это первый прямой эксперимент, в котором действительно наблюдается гравитационное воздействие на движение антиматерии. Это важная веха в изучении антиматерии, которая до сих пор озадачивает нас из-за ее очевидного отсутствия во Вселенной».

Эксперимент АЛЬФА связан с созданием, захватом и изучением атомов антиводорода в улавливающем устройстве. Атомы антиводорода являются электрически нейтральными и стабильными частицами антивещества, что делает их идеальными для изучения гравитационного поведения антивещества.

Антиводород создается путем объединения двух компонентов  — античастиц: антипротонов и позитронов. Антипротон — субатомная частица той же массы, что и протон, но с отрицательным электрическим зарядом.

Команда АЛЬФА построила вертикальный аппарат под названием ALPHA-g, где буква «g» обозначает ускорение свободного падения, которое для материи составляет 9,81 м/сек ².

ALPHA-g позволяет измерять вертикальные положения, в которых атомы антиводорода встречаются с соответствующим им веществом – процесс, называемый аннигиляцией – после того, как магнитное поле ловушки выключается, позволяя атомам уйти.

Исследователи захватывали группы из примерно 100 атомов антиводорода, по одной группе за раз. Затем они медленно высвобождали атомы в течение 20 секунд, постепенно уменьшая ток в верхнем и нижнем магнитах-ловушках.

Компьютерное моделирование предсказало, что 20% атомов выйдут через верхнюю часть ловушки, а 80% — через нижнюю, разница вызвана нисходящим действием гравитации.

Усреднив результаты семи испытаний высвобождения, исследователи обнаружили, что доли антиатомов, выходящих через верх и низ, совпадают с результатами моделирования. То есть атомы антиводорода падали так же, как атомы водорода под действием силы тяжести 1 g или нормальной силы тяжести.

Используя аппарат ALPHA-g, физики эффективно воссоздали знаменитый гравитационный эксперимент Галилея. Согласно легенде, итальянский ученый сбросил с вершины Пизанской башни железные шары разного веса, и они приземлились одновременно, показав, что гравитация заставляет предметы разной массы падать с одинаковым ускорением.

Хотя ученые утверждают, что их результаты исключают существование отталкивающей «антигравитации», нынешняя работа знаменует собой лишь начало детальных, прямых исследований гравитационной природы антиматерии.

«Нам потребовалось 30 лет, чтобы научиться создавать антиатом, удерживать его и контролировать его достаточно хорошо, чтобы мы могли действительно сбросить его так, чтобы он был чувствителен к силе гравитации», — сказал Джеффри Хангст. «Следующий шаг — измерить ускорение как можно точнее. Мы хотим проверить, действительно ли материя и антиматерия падают одинаково».

Исследование было опубликовано в журнале Nature, а в видео ниже, подготовленном ЦЕРН, Джеффри Хангст объясняет, как работает ALPHA-g, причины и результаты гравитационных экспериментов с антивеществом.