Антиматерия, как на нее влияет гравитация
|
Вещество под названием антиматерия лежит в основе одной из величайших загадок Вселенной. Мы знаем, что у каждой частицы есть спутник-антиматерия, практически идентичный ей самой, но с противоположным зарядом. Когда частица и ее античастица встречаются, они аннигилируют друг друга, исчезая во вспышке света. Наше нынешнее понимание физики предсказывает, что равные количества материи и антиматерии должны были быть созданы во время формирования Вселенной. Но, похоже, этого не произошло, поскольку это привело бы к немедленной аннигиляции всех частиц. Вместо этого вокруг нас много материи и очень мало антиматерии — даже глубоко в космосе. Эта загадка привела к масштабным поискам, позволяющим найти недостатки в теории или иным образом объяснить недостающую антиматерию. Один из таких подходов сосредоточен на гравитации. Возможно, антивещество ведет себя по-другому под действием гравитации, будучи притянуто в направлении, противоположном материи? Если это так, то мы могли бы просто находиться в той части Вселенной, из которой невозможно наблюдать антивещество. |
Наше новое исследование, опубликованное в журнале Nature, показывает, как на самом деле ведет себя антиматерия под воздействием гравитации. Другие подходы к вопросу о том, почему мы наблюдаем больше материи, чем антиматерии, охватывают многочисленные подобласти физики. Они варьируются от астрофизики, стремящейся наблюдать и предсказывать поведение антиматерии в космосе с помощью экспериментов, до физики частиц высоких энергий, исследующей процессы и фундаментальные частицы, которые образуют антиматерию и управляют ее жизнью. Хотя наблюдаются небольшие различия во времени жизни некоторых частиц антивещества по сравнению с их аналогами из материи, эти результаты все еще далеки от достаточного объяснения асимметрии. Ожидается, что физические свойства антиводорода — атома, состоящего из электрона антивещества (позитрона), связанного с протоном антивещества (антипротоном), — будут точно такими же, как у водорода. Помимо того, что антиводород обладает теми же химическими свойствами, что и водород, такими как цвет и энергия, мы также ожидаем, что антиводород будет вести себя так же в гравитационном поле. |
Так называемый «слабый принцип эквивалентности» в общей теории относительности утверждает, что движение тел в гравитационном поле не зависит от их состава. По сути, это означает, что то, из чего что-то сделано, не влияет на то, как гравитация влияет на его движения. Это предсказание было проверено с чрезвычайно высокой точностью для гравитационных сил с различными частицами материи, но никогда непосредственно для движения антиматерии. Даже в случае с частицами материи гравитация стоит особняком от других физических теорий, поскольку ее еще предстоит объединить с теориями, описывающими антиматерию. Любая наблюдаемая разница с гравитацией антиматерии может помочь пролить свет на оба вопроса. На сегодняшний день прямых измерений гравитационного движения антиматерии не проводилось. Это довольно сложно изучать, потому что гравитация — самая слабая сила. Это означает, что трудно отличить эффекты гравитации от других внешних воздействий. Только с недавним развитием технологий производства стабильной (долгоживущей), нейтральной и холодной антиматерии измерения стали возможными. |
Наша работа проходила в эксперименте АЛЬФА-g в ЦЕРН, крупнейшей в мире лаборатории физики элементарных частиц, базирующейся в Швейцарии, который был разработан для проверки эффектов гравитации путем содержания антиводорода в вертикальной ловушке двухметровой высоты. Антиводород создается в ловушке путем объединения составляющих его антивещества: положения и антипротона. Позитроны легко производятся некоторыми радиоактивными материалами — мы использовали радиоактивную поваренную соль. Однако для создания холодных антипротонов нам пришлось использовать огромные ускорители частиц и уникальную замедляющую установку, которая работает в ЦЕРНе. Оба ингредиента электрически заряжены и могут быть пойманы и сохранены независимо в виде антиматерии в специальных устройствах, называемых ловушками Пеннинга, которые состоят из электрического и магнитного полей. Однако антиатомы не удерживаются ловушками Пеннинга, поэтому у нас было дополнительное устройство, называемое «ловушка-магнитная бутылка», которое удерживало антиатомы. Эта ловушка была создана магнитными полями, создаваемыми многочисленными сверхпроводящими магнитами. |
Они использовались для контроля относительной прочности разных сторон бутылки. Примечательно, что если бы мы ослабили верх и низ бутылки, атомы смогли бы покинуть ловушку под действием гравитации. Мы подсчитали, сколько антиатомов вылетело вверх и вниз, обнаружив аннигиляции антивещества, возникающие при столкновении антиатомов с частицами окружающего вещества в ловушке. Сравнивая эти результаты с подробными компьютерными моделями этого процесса в обычных атомах водорода, мы смогли сделать вывод о влиянии гравитации на атомы антиводорода. Наши результаты являются первыми в эксперименте АЛЬФА-g и первым прямым измерением движения антиматерии в гравитационном поле. Они показывают, что гравитация антиводорода такая же, как и у водорода, она падает вниз, а не вверх, в пределах неопределенности эксперимента. |
Это означает, что наше исследование эмпирически исключило ряд исторических теорий, включающих так называемую «антигравитацию», предполагающую, что антиматерия будет тяготеть в совершенно противоположном направлении, как обычная материя. Текущее измерение является важной вехой на пути к цели эксперимента. Будущая работа эксперимента ALPHA-g повысит его точность за счет лучшего описания и контроля важных аспектов эксперимента, таких как ловушки и системы охлаждения атомов. Еще есть много возможностей для поиска новых результатов, которые могли бы помочь объяснить асимметрию материи и антивещества. Физика предназначена для описания наблюдаемой реальности, и в том, как устроен мир, всегда могут быть сюрпризы. |
Источник |
При использовании материалов с сайта активная ссылка на него обязательна
|