Các nhà vật lý đưa ra bằng chứng trực tiếp đầu tiên về cách các nguyên tử phản vật chất tương tác với trọng lực
Các nguyên tử tạo nên vật chất thông thường rơi xuống, vậy các nguyên tử phản vật chất có rơi xuống không? Họ có trải nghiệm lực hấp dẫn giống như các nguyên tử thông thường, hay có một thứ như chống hấp dẫn?
Những câu hỏi này đã khiến các nhà vật lý tò mò từ lâu, Joel Fajans thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (Phòng thí nghiệm Berkeley) của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, bởi vì trong trường hợp không có khả năng phản vật chất rơi lên trên, chúng ta phải xem xét lại một cách cơ bản cách nhìn của chúng ta về vật lý và suy nghĩ lại về cách cơ bản vũ trụ hoạt động.
Cho đến nay, tất cả các bằng chứng cho thấy lực hấp dẫn là như nhau đối với vật chất và phản vật chất là gián tiếp, vì vậy Fajans và đồng nghiệp Jonathan Wurtele, cả hai nhà khoa học nhân viên của Phòng nghiên cứu Gia tốc và Hợp nhất của Berkeley Lab và giáo sư vật lý tại Đại học California ở Berkeley - như cũng như các thành viên hàng đầu của thí nghiệm ALPHA quốc tế của Cern - đã quyết định sử dụng nghiên cứu chống hydro liên tục của họ để giải quyết câu hỏi trực tiếp.Nếu lực tương tác hấp dẫn với các nguyên tử chống lại mạnh đến bất ngờ, họ nhận ra, sự bất thường sẽ đáng chú ý trong dữ liệu hiện có của ALPHA trên 434 nguyên tử.
Theo dõi hạt trong buồng mây. Tín dụng: Trung tâm Vật lý
Các kết quả đầu tiên, đo tỷ lệ khối lượng hấp dẫn chưa biết của Antihydrogen với khối lượng quán tính đã biết của nó, đã không giải quyết được vấn đề. Cách xa nó. Nếu một nguyên tử chống hydro rơi xuống, khối lượng hấp dẫn của nó không lớn hơn 110 lần so với khối lượng quán tính của nó. Nếu nó rơi lên trên, khối lượng hấp dẫn của nó lớn hơn gấp 65 lần.
Những gì kết quả cho thấy là việc đo trọng lực phản vật chất là có thể, sử dụng phương pháp thí nghiệm chỉ ra độ chính xác cao hơn nhiều trong tương lai. Họ mô tả kỹ thuật của họ trong phiên bản 30 tháng 4 năm 2013 của Truyền thông Tự nhiên.
Làm thế nào để đo một nguyên tử rơi
ALPHA tạo ra các nguyên tử chống hydro bằng cách kết hợp các phản proton đơn lẻ với positron đơn (antelectron), giữ chúng trong một bẫy từ tính mạnh. Khi các nam châm được tắt, các nguyên tử chống lại sẽ chạm vào vật chất thông thường của các bức tường bẫy bẫy và tiêu diệt trong chớp mắt của năng lượng, xác định chính xác khi nào và nơi chúng chạm vào. Về nguyên tắc, nếu những người thử nghiệm biết vị trí và vận tốc chính xác của chống nguyên tử khi bẫy bị tắt, tất cả những gì họ phải làm là đo thời gian rơi xuống tường.
Tuy nhiên, từ trường ALPHA nhiệt độ don don tắt ngay lập tức; gần 30 phần nghìn của một giây trôi qua trước khi các trường phân rã xuống gần bằng không. Trong khi đó, các chớp sáng xuất hiện ở khắp các bức tường bẫy vào những thời điểm và những nơi phụ thuộc vào các nguyên tử chống lại các vị trí, vận tốc và năng lượng ban đầu nhưng không rõ.
Wurtele nói, các hạt thoát muộn có năng lượng rất thấp, do đó ảnh hưởng của lực hấp dẫn rõ ràng hơn đối với chúng. Nhưng có rất ít các nguyên tử chống thoát muộn; chỉ 23 trong số 434 người trốn thoát sau khi cánh đồng đã bị tắt trong 20 phần nghìn giây.
Các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm Berkeley và UC Berkeley đã sử dụng dữ liệu từ Thí nghiệm ALPHA tại CERN để đo trực tiếp trọng lực phản vật chất. Chustman bởi Chukman
Fajans và Wurtele đã làm việc với các đồng nghiệp ALPHA của họ và với các cộng sự của Phòng thí nghiệm Berkeley, giảng viên UC Berkeley Andrew Charman và postdoc Andre Zhmoginov, để so sánh các mô phỏng với dữ liệu của họ và tách biệt các hiệu ứng lực từ các cường độ từ trường và năng lượng hạt. Nhiều bất ổn thống kê vẫn còn.
Có một thứ như là chống hấp dẫn? Dựa trên các bài kiểm tra rơi tự do cho đến nay, chúng ta có thể nói có hay không, theo lời của Fajans. Đây là từ đầu tiên, tuy nhiên, không phải là từ cuối cùng.
ALPHA đang được nâng cấp lên ALPHA-2 và các thử nghiệm chính xác có thể được thực hiện trong một đến năm năm. Các nguyên tử chống lại sẽ được làm mát bằng laser để giảm năng lượng khi vẫn còn trong bẫy và từ trường sẽ phân rã chậm hơn khi tắt bẫy, làm tăng số lượng các sự kiện năng lượng thấp. Các câu hỏi của các nhà vật lý và phi vật lý đã tự hỏi trong hơn 50 năm sẽ phải chịu các bài kiểm tra không chỉ trực tiếp mà còn có thể dứt khoát.
Ghi chú
Nếu phản vật chất rơi lên trên, nó có thể giải thích các quan sát vũ trụ mà không cần dùng đến vật chất tối hoặc năng lượng tối, được cho là tồn tại bởi vì các quan sát thực nghiệm có thể được giải thích trong khuôn khổ các lý thuyết thông thường về vũ trụ. Nhưng nếu những lý thuyết này là sai thì sao? Một dòng giấy nhỏ nhưng ổn định thảo luận về khả năng này và là một phần của động lực để nghiên cứu cách trọng lực hành xử đối với phản vật chất.
Khối lượng hấp dẫn và khối lượng quán tính (khả năng chống gia tốc) được cho là giống hệt nhau, một giả định được gọi là nguyên lý tương đương yếu. Như chưa có bằng chứng thực nghiệm trực tiếp ngược lại. Trong nhiều năm, đã có những suy đoán liên tục rằng phản vật chất có thể khác nhau, tuy nhiên. Mặc dù có nhiều dấu hiệu gián tiếp cho thấy nguyên tắc tương đương yếu cũng đúng với phản vật chất, nhưng chưa bao giờ có một thử nghiệm trực tiếp - đó là thử nghiệm rơi tự do.
Qua phòng thí nghiệm Berkeley