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.
