Az antianyag átfogja Földet, lefelé hullik, mint a normál anyag

Antihodrogén atomok (kék) egy mágneses csapdába esnek és annihilálnak egy a gravitáció antianyagra gyakorolt hatásának mérése során.

Fizikusok bebizonyították, hogy az antihidrogént (egy antiproton pár és egy antielektron, vagy pozitron) a gravitáció lefelé húzza és nem felfelé nyomja. Legalábbis az antianyag számára az antigravitáció nem létezik. - írja a Kaliforniai Egyetem honlapján.

Az antianyag gravitációs gyorsulása közel van a normál anyagéhoz a Földön: 9.8 m/sec/sec. Pontosabban azt találták, hogy körülbelül 25%-on belül van a normál gravitációt illetően, ami standard eltérés. A legtöbb fizikust nem fogja meglepni az eredmény.

Albert Einstein általános relativitáselmélete, bár még az antianyag 1932-es felfedezése előtt megszületett, minden anyagot azonosan kezel, ami azt jelenti, hogy az antianyag és az anyag ugyanúgy reagál a gravitációs erőkre.

Minden normál anyagnak, mint például a protonok, neutronok, elektronok, van antirészecskéje, ami ellentétes elektromos töltéssel bír, és amikor találkoznak normál anyag párjukkal, teljesen annihilálnak.
Az ellenkező eredménynek nagy következményei lettek volna, inkonzisztens lenne Einstein általános relativitáselméletének gyenge ekvivalencia elvével.

Ez az első eset, hogy közvetlenül megmérték a gravitációs erő semleges antianyagra gyakorolt hatását. Ez egy másik lépés a neutrális antianyag tudomány fejlesztésében. Semmi fizikai elmélet nem jelzi előre, hogy a gravitációnak taszítania kellene az antianyagot. Vannak fizikusok, akik azt állítják, hogy ha így lenne, létre tudnánk hozni egy örökmozgót, ami elvileg lehetetlen.
Mindazonáltal vonzó volt az ötlet, hogy a gravitáció másként hathat az antianyagra és az anyagra, mert ez potenciálisan megmagyarázna néhány kozmikus rejtélyt. Például, az anyag és az antianyag szeparációjához vezethetett volna a korai univerzumban, ami megmagyarázza, hogy miért látunk csak kis számú antianyagot az univerzumban magunk körül. Az elméletek azt jelzik előre, hogy egyenlő mennyiségű anyag és antianyag kellett volna létrejöjjön az Ősrobbanáskor, ami létrehozta az univerzumot.

Antihodrogén atomok (kék) egy mágneses csapdába esnek és annihilálnak egy a gravitáció antianyagra gyakorolt hatásának mérése során. Forrás: https://news.berkeley.edu/2023/09/27/antimatter-embraces-earth-falling-downward-like-normal-matter

A gravitáció hihetetlenül gyenge

Sok indirekt kísérlet erősen azt sugallja, hogy az antianyag normálisan gravitál, de ezek a kísérletek viszonylag kényesek voltak. Hogy miért nem végzik el azt a kísérletet, hogy egy darab antianyagot ledobnak valami ferde toronyból, mint a Galilei pisai ferde torony kísérlete? A pisai ferdetorony kísérletet Galilei valójában nem végezte el: azt, hogy állítólag ledobott egy ólom golyót és egy fa golyót a torony tetejéből és bebizonyította, hogy a két golyó egyszerre ér földet.

A valódi probléma, hogy a gravitációs erő hihetetlenül gyenge az elektromos erőkhöz képest. Eddig lehetetlen volt egy töltött részecskével, mint egy puszta pozitron, közvetlenül megmérni a gravitációt ilyen jellegű kísérletben, mert bármely kóbor elektromos mező sokkal jobban eltéríti a részecskét, mint a gravitáció.

A gravitációs erő a természet négy ismert ereje közül a leggyengébb. A gravitáció dominál az univerzum evolúciójában, mivel minden anyagra - elvileg - hatással van hatalmas távolságokon túl. De egy kis antianyag darab esetén a hatás pici. Egy 1 volt/méter elektromos mező egy antiprotonra körülbelül 40 trilliószor nagyobb erőt gyakorol, mint amekkorát a Föld gravitációs ereje gyakorol rá.

2010-re az ALFA (Antihydrogen Laser Physics Apparatus: Antihidrogén Lézerfizikai Készülék) jelentős mennyiségű antihidrogén atomot fogott el, és az egyik kutató azt javasolta, hogy mivel az antihidrogén semleges töltésű, nem hat rá az elektromos mező és meg kéne vizsgálniuk egy gravitációs mérés lehetőségét. A kutatók elvégeztek néhány szimulációt, ami azt mutatta, hogy érdemes megpróbálni és rájöttek, hogy korábbi adatok egy retrospektív elemzése nagyon durva határokat nyújt az antianyag földdel való gravirtációs interakciójára. Arra a következtetésre jutottak, hogy az antihidrogén gyorsulása nem több, mint körülbelül 100-szorosa a szokásos anyag gyorsulásának, felfelé vagy lefelé irányokban. Az ALPHA csapat létrehozott egy kísérletet, hogy pontosabb mérést végezzenek. 2016-ban egy új kísérletet szerkesztettek, az ALPHA-g kísérletet, ami 2022 nyarán és őszén elvégezte első méréseit. A Nature magazinban publikált eredmények szimulációkon és a csapat által tavaly megfigyelt statisztikai elemzésen alapszik. Az állapították meg, hogy az antianyag gravitációs állandója 0.75 ± 0.13 ± 0.16 g, vagy ha kombináljuk a statisztikai és szisztematikus hibákat, akkor 0.75 ± 0.29 g, ami az 1 g hibasávján belül van. Arra jutottak, hogy annak esélye, hogy a gravítáció taszítja az antianyagot olyan kicsi, hogy jelentéktelen.

Joel Fajans a CERN-ban megnézi az ALPHA-g kísérlet belső munkáját. Ő és Jonathan Wurtele javasolták először 10 éve, hogy mérjék meg a gravitáció antianyagra, különösen az antihidrogénre gyakorolt hatását Forrás: https://news.berkeley.edu/2023/09/27/antimatter-embraces-earth-falling-downward-like-normal-matter

Az volt az ALPHA-g terv, hogy körülbelül 100 antihidrogén atomot egyszerre egy 25 cm hosszú mágneses palackba zárjanak. Az ALPHA csak az olyan antihidrogén atomokat tudja korlátozni, amik hőmérséklete kevesebb, mint 0.5 Kelvin. Még ezen a rendkívül alacsony hőmérsékleteten is az antiatomok átlagosan 100m/sec sebességgel mozognak, másodpercenként több százszor lepattanva a palack végén lévő erős mágneses mezőről. (Egy antihidrogén atom mágneses dipólusmomentumát visszaveri a palack két végén lévő 10.000 Gauss mágneses mező.)

Dalila Robledo (balra) a KAliforniai BErkley Egyetem egyik tagja, aki részt vett Genfben az ALPHA-g kísérlet létrehozásában. Itt Robledo segít a mágneses csapda behelyezésében, ami az antihidrogént tartani fogja. Forrás: https://news.berkeley.edu/2023/09/27/antimatter-embraces-earth-falling-downward-like-normal-matter

Ha az üveget vertikálisan orientáljuk, a lefelé mozgó atomok a gravitáció miatt gyorsulni fognak, a felfelé mozgó atomok lassulni fognak. Amikor a palack végein a mágneses mező azonos, a lefelé mozgó atomoknak átlagosan több energiájuk lesz. A kísérlettel összehasonlítottak nagyon hasonló súlyokat. A mágneses egyensúly a viszonylag kis gravitációs erőt láthatóvá tette a sokkal nagyobb mágneses erők jelenlétében, körülbelül úgy, ahogy egy normál mérleg láthatóvá teszi a különbséget az 1 kg és az 1.001 kilogramm között.

Kontroll szoba a CERN-ben. Danielle Hodginson (jobbra) futtatja az ALPHA-g kísérletet. Forrás: https://news.berkeley.edu/2023/09/27/antimatter-embraces-earth-falling-downward-like-normal-matter

A tükör mágneses mező aztán nagyon lassan lefelé lejt, így minden atom végüis elmenekül. Ha az antianyag úgy viselkedik, mint a normál anyag, a fenéken több antiatomnak - körülbelül 80%-uknak - kellene kimenekülni, mint a tetőn.

A kiegyensúlyozás lehetővé teszi, hogy a kutatók ignorálják azt a tényt, hogy az antiatomok mind különböző energiák. A legalacsonyabb energiák menekültek el utoljára, de azok még alá vannak vetve az kiegyensúlyozásnak, és a gravitáció hatása minden antiatomra növekszik.
Az ALPHA be tudja állítani, hogy az alsó tükör erősebb, vagy gyengébb legyen, mint a felső tükör, ami az egyes antiatomoknak energialökést ad, ami kiiktatja a gravitációt, vagy felülkerekedik a gravitáció hatásán, és ez ugyanannyi, vagy nagyobb számú antiatomnak leszi lehetővé, hogy kimenjen a csúcson, mint amennyi mint alul kimegy.

Emiatt a kutatók úgy vélik, a kísérlet ténylegesen működik, mert képesek előre jelezhető módon kontrollálni a kísérletet.

Az eredményeket statisztikailag kell kezelni, mert sok az ismeretlen: a kutatók nem biztosak abban, hogy mennyi antihidrogén atomot ejtettek csapdába, nem biztosak, hogy minden annihilációt érzékeltek-e, nem biztosak nem volt-e ott valami ismeretlen mágneses mező, ami hatással lehetett az antiatom trajektóriáira, és nem biztosak abban, hogy az üvegben lévő mágneses mezőt helyesen mérték-e? Az ALPHA kódja, ami szimulálta a kísérletet, lehet, hogy enyhén hibás, mivel a kutatók nem nem ismerik az antihidrogén atomok pontos kezdeti feltételeit, lehet hibás, mert mágneses mező nem korrekt, és lehet hibás, mert vannak ismeretlen ismeretlenek. De az egyensúlyozással tudták kontrollálni a kísérletet, és így megvizsgálhatták a diszkrepanciák mértékét, és ezért a kutatók úgy vélik, az eredményük korrekt.

(Forrás: Kaliforniai Berkeley Egyetem: https://news.berkeley.edu/)