Доведено, що антиматерія не левітує

Антиматерія падає вниз, як звичайна матерія: нове дослідження розкриває вплив гравітації на невловимого двійника матерії.

Для тих, хто все ще сподівається, що антиматерія левітує, а не падає в гравітаційному полі, як звичайна матерія, результати нового експерименту є холодним душем реальності.

Фізики, які вивчають антиводень – антипротон у парі з антиелектроном або позитроном – переконливо показали, що гравітація тягне його вниз, а не виштовхує вгору.

Тобто для антиматерії антигравітації не існує.

Результати експерименту були опубліковані у випуску журналу "Nature" за 28 вересня командою, що представляє Антиводневий лазерний фізичний апарат (ALPHA) в Європейській організації ядерних досліджень (ЦЕРН) у Женеві, Швейцарія.

Гравітаційне прискорення антиматерії, виявлене командою, близьке до гравітаційного прискорення звичайної матерії на Землі: 1 g, або 9,8 м/c². А якщо точніше, то було виявлено, що воно 1 g ±25%.

"Безумовно, прискорюється вниз, і це приблизно в межах одного стандартного відхилення від нормального прискорення, – каже Джоел Фаянс, професор фізики Каліфорнійського університету в Берклі, який разом з колегою, теоретиком Джонатаном Вуртеле, вперше запропонував цей експеримент більше десяти років тому. – Суть в тому, що безкоштовних обідів не буває, і ми не зможемо левітувати, використовуючи антиматерію".

Результат не здивує більшість фізиків. Загальна теорія відносності Альберта Айнштайна хоч і була створена ще до відкриття антиматерії в 1932 році, трактує всю матерію однаково, припускаючи, що антиматерія і матерія однаково реагують на гравітаційні сили. Всі звичайні матерії, такі як протони, нейтрони й електрони, мають античастинки, які несуть протилежний електричний заряд і коли зустрічаються зі своїм звичайним аналогом, повністю анігілюють.

"Протилежний результат мав би великі імплікації; він був би несумісний зі слабким принципом еквівалентності загальної теорії відносності Айнштайна, – сказав Вуртеле, професор фізики Каліфорнійського університету в Берклі. – Цей експеримент є першим прямим вимірюванням сили гравітації на нейтральній антиматерії. Це ще один крок у розвитку науки нейтральної антиматерії".

Фаянс зазначив, що жодна фізична теорія фактично не передбачає, що гравітація повинна відштовхувати антиматерію. Деякі фізики стверджують, що якби це було так, то можна би було створити вічний двигун, який теоретично неможливий.

Однак ідея про те, що на антиматерію і матерію гравітація може впливати по-різному, була привабливою, оскільки вона потенційно могла би пояснити деякі космічні загадки. Наприклад, це могло призвести до просторового розділення матерії й антиматерії в ранньому всесвіті, пояснюючи, чому у всесвіті навколо нас ми бачимо лише невелику кількість антиматерії – в той час як більшість теорій передбачають, що під час Великого вибуху, який породив Всесвіт, мала б утворитися рівна кількість матерії й антиматерії.

Гравітація є неймовірно слабкою

За словами Фаянса, було проведено багато (всі непрямі) експериментів, які переконливо свідчать про те, що антиматерія нормально гравітує, але ці експерименти були відносно невиразними.

"Ви можете запитати, чому б не провести очевидний експеримент і не скинути шматочок антиматерії – щось на кшталт експерименту з Пізанською вежею? Ви ж знаєте, що експерименту, де Галілей нібито скинув свинцеву і дерев'яну кулю з вершини вежі і довів, що вони обидві досягли землі одночасно, він насправді не проводив – це апокриф", – сказав він.

"Справжня проблема полягає в тому, що сила гравітації неймовірно слабка в порівнянні з електричними силами, – додав Фаянс. – Досі виявилося неможливим безпосередньо виміряти гравітацію за допомогою вимірювання методом падіння краплі зарядженої частинки – наприклад, голого позитрона, – бо будь-яке мандрівне електричне поле буде відхиляти частинку значно сильніше, ніж гравітація".

Фактично гравітаційна сила є найслабшою з чотирьох відомих сил природи. Вона домінує в еволюції Всесвіту, тому що вся матерія – теоретично – охоплена її впливом на величезних відстанях. Але для крихітного шматочка антиматерії цей вплив мізерно малий. Електричне поле напруженістю 1 в/м (вольт на метр) діє на антипротон з силою, яка приблизно в 40 трильйонів разів більша, ніж сила земної гравітації, що діє на нього.

Співпраця з ALPHA в ЦЕРНі суґерувала Вуртеле новий підхід. До 2010 року команда ALPHA спіймала значну кількість атомів антиводню, а в 2011 році Вуртеле переконував Фаянса, що оскільки антиводень зарядово нейтральний, на нього не впливатимуть електричні поля, і вони повинні дослідити можливість вимірювання гравітації.

Фаянс відкидав цю ідею протягом багатьох місяців, але врешті його переконали поставитися до неї достатньо серйозно і виконати кілька симуляцій, які показали, що ідеї Вуртеле варті уваги. До роботи долучилися науковці Каліфорнійського університету в Берклі, і стало зрозуміло, що ретроспективний аналіз попередніх даних може дати дуже грубі оцінки гравітаційної взаємодії антиматерії з Землею.

За допомогою колег з ALPHA вони написали статтю, в якій дійшли висновку, що антиводень під дією земної гравітації зазнає прискорення ±100g.

Однак цей невтішний початок переконав команду ALPHA провести експеримент для більш точних вимірювань. У 2016 році команда почала створювати новий експеримент, ALPHA-g, який провів свої перші вимірювання влітку і восени 2022 року.

Результати, опубліковані в журналі Nature, базуються на моделюванні та статистичному аналізі того, що команда спостерігала минулого року, і визначають гравітаційну константу для антиматерії на рівні 0,75±0,13± 0,16 g – або, якщо об'єднати статистичну та систематичну похибки, 0,75±0,29g, що є в межах похибки в 1g. Команда дійшла висновку: ймовірність того, що гравітація буде відштовхувати антиматерію, настільки мала, що безсенсовна.

За словами Фаянса і Вуртеле, у підготовці та проведенні експерименту брали участь щонайменше десяток студентів-фізиків Берклі, багато з яких належали до груп, які не дуже добре відомі в галузі фізики.

"Це була чудова можливість для багатьох студентів Берклі, – сказав Фаянс. – Це захопливі експерименти, і наші студенти багато чому навчилися".

Баланс

План ALPHA-g, який запропонували Вуртеле і Фаянс, полягав у тому, щоб одночасно утримувати близько 100 атомів антиводню в 25-сантиметровій магнітній пляшці. ALPHA може утримувати лише атоми антиводню, які мають температуру менше ніж на пів градуса вище абсолютного нуля або 0,5 Кельвіна.

Навіть за такої надзвичайно низької температури антиатоми рухаються зі швидкістю в середньому 100 метрів на секунду, відскакуючи сотні разів на секунду від сильних магнітних полів на кінцях пляшки. (Магнітний дипольний момент атома антиводню відштовхується від стиснутих магнітних полів напруженістю 10 тисяч гаусів на кожному кінці пляшки).

Якщо пляшка орієнтована вертикально, то атоми, що рухаються вниз, прискорюються під дією сили тяжіння, а ті, що рухаються вгору, сповільнюються. Коли магнітні поля на обох кінцях пляшки однакові, тобто врівноважені, атоми, що рухаються вниз, матимуть в середньому більшу енергію. Отже, вони з більшою ймовірністю пройдуть крізь магнітне дзеркало і вдаряться об контейнер, анігілюючи у спалаху світла й утворюючи від трьох до п'яти піонів (пі-мезонів). Піони реєструються, щоб визначити, куди вилетів антиатом – вгору чи вниз.

За словами Фаянса, експеримент схожий на стандартні терези, які використовують для порівняння дуже схожих ваг. Магнітні терези роблять відносно крихітну гравітаційну силу видимою в присутності набагато більших магнітних сил, так само, як звичайні терези роблять видимою різницю між 1 кілограмом і 1,001 кілограма.

Потім дзеркальні магнітні поля дуже повільно слабшають, так що всі атоми врешті-решт розлітаються. Якщо антиматерія поводиться як звичайна матерія, то знизу повинно вилетіти більше антиатомів (близько 80%), ніж зверху.

"Балансування дозволяє нам ігнорувати той факт, що антиатоми мають різну енергію, – каже Фаянс. "Найменш енергетично активні вилітають останніми, але вони все одно підпадають під дію балансу, і ефект гравітації посилюється для всіх антиатомів".

Експериментальна установка також дозволяє ALPHA робити нижнє магнітне дзеркало сильнішим або слабшим за верхнє, що дає кожному антиатому приріст енергії, який може нівелювати або подолати дію гравітації, дозволяючи рівній або більшій кількості антиатомів виходити зверху, ніж знизу.

"Це дає нам потужний експериментальну ручку регулювання, яка дозволяє нам, по суті, вважати, що експеримент дійсно відбувся, бо ми можемо довести собі, що здатні контролювати експеримент у передбачуваний спосіб", – каже Фаянс.

Через велику кількість невідомих результати потрібно було статистично обробляти: дослідники не були впевнені, скільки атомів антиводню вони захопили, вони не могли бути впевнені, чи зафіксували кожну анігіляцію, чи не було якихось невідомих магнітних полів, які могли вплинути на траєкторії руху антиатомів, чи правильно вони виміряли магнітне поле в пляшці.

"Комп'ютерний код ALPHA, що моделює експеримент, може бути ледь помітно невідповідним, бо ми не знаємо точних початкових умов для атомів антиводню, бо наші магнітні поля не є правильними і бо є якесь незнане невідоме, – сказав Вуртеле. – Та все ж контроль, який забезпечується регулюванням ручки балансу, дозволяє нам дослідити ступінь будь-яких розбіжностей, що дає нам впевненість у правильності нашого результату".

Фізики з Каліфорнійського університету в Берклі сподіваються, що майбутні вдосконалення ALPHA-g і комп'ютерних кодів дозволять підвищити чутливість приладу в 100 разів.

"Це результат спільних зусиль, хоча зародження цього проєкту відбулося в Берклі, – сказав Фаянс. – ALPHA була розроблена для спектроскопії антиводню, а не для гравітаційних вимірювань цих антиатомів. Наша з Джонатаном пропозиція була повністю перпендикулярна до всіх планів щодо ALPHA, і дослідження, ймовірно, не відбулося б без нашої роботи і багатьох років самостійних розробок".

І хоча нульовий результат можна би було відкинути як нецікавий, експеримент також є важливим тестом загальної теорії відносності, яка на сьогоднішній день пройшла всі інші випробування.

"Якщо ви пройдетеся коридорами цього відділу і запитаєте фізиків –всі вони скажуть, що цей результат анітрохи не дивує. Це реальність, – каже Вуртеле. – Але більшість із них також скажуть, що експеримент мав бути проведений, тому що ви ніколи не можете бути впевнені. Фізика є експериментальною наукою. Ви ж не хочете бути дурнем, який не зробить експеримент, що, можливо, відкриє нову фізику, оскільки ви думали, що знаєте відповідь, а потім виявиться, що вона зовсім інша".