V edinstvenem laboratorijskem poskusu so raziskovalci opazovali pot navzdol, ki jo uberejo posamezni atomi antivodika, in tako zagotovili dokončen odgovor: antimaterija pade. Pri potrditvi, da se antimaterija in običajna snov gravitacijsko privlačita, ugotovitev tudi izključuje gravitacijsko odbojnost kot razlog, zakaj antimaterija večinoma manjka v opazljivem vesolju.
Raziskovalci iz mednarodne kolaboracije Antivodikov laserski fizikalni aparat (ALPHA) v CERN-u v Švici so objavili svoje ugotovitve v reviji Nature. Prizadevanje, ki ga podpira več kot ducat držav in zasebnih ustanov, vključno z ZDA prek skupne Nacionalne znanstvene fundacije/oddelka ZDA programa Energy Partnership in Basic Plasma Science and Engineering.
»Uspeh sodelovanja ALPHA je dokaz pomena timskega dela med celinami in znanstvenimi skupnostmi,« pravi Vyacheslav Slava Lukin, programski direktor v oddelku za fiziko NSF. »Razumevanje narave antimaterije nam lahko pomaga ne samo razumeti, kako je naše vesolje nastalo, ampak lahko omogoči nove inovacije, ki se doslej še nikoli niso zdele možne – kot so skeniranja s pozitronsko emisijsko tomografijo (PET), ki so rešila mnoga življenja z uporabo našega znanja o antimateriji za odkrivanje rakavih tumorjev v telesu.«
Se antimaterija obnaša enako kot materija?
»Einsteinova teorija splošne relativnosti pravi, da bi se morala antimaterija obnašati popolnoma enako kot materija,« je povedal Jonathan Wurtele, plazemski fizik Univerze v Kaliforniji, Berkeley in član kolaboracije ALPHA. »Številne posredne meritve kažejo, da gravitacija medsebojno deluje z antimaterijo, kot je bilo pričakovano,« je dodal, »toda do današnjega rezultata nihče ni izvedel neposrednega opazovanja, ki bi lahko izključilo, na primer, premikanje antivodika navzgor v nasprotju z navzdol v gravitacijskem polju.«
Naša telesa, Zemlja in večina vsega, kar poznajo znanstveniki v vesolju, je v veliki večini sestavljeno iz običajne snovi, ki jo sestavljajo protoni, nevtroni in elektroni, kot so atomi kisika, ogljika, železa in drugi elementi periodnega sistema.
Antimaterija je po drugi strani dvojček navadne snovi, čeprav z nekaterimi nasprotnimi lastnostmi. Na primer, antiprotoni imajo negativen naboj, medtem ko imajo protoni pozitiven naboj. Antielektroni so pozitivni, elektroni pa negativni.
Vendar pa je morda največji izziv za eksperimentatorje: »Takoj ko se antimaterija dotakne materije, eksplodira,« je dejal član kolaboracije ALPHA in plazemski fizik Univerze v Kaliforniji, Berkeley Joel Fajans.
Skupna masa snovi in antimaterije se v celoti spremeni v energijo v tako močni reakciji, da jo znanstveniki imenujejo anihilacija.
»Za dano maso so takšne anihilacije najgostejša oblika sproščanja energije, kar jih poznamo,« je dodal Fajans. Toda količina antimaterije, uporabljene v eksperimentu ALPHA, je tako majhna, da je energija, ustvarjena z anihilacijo antimaterije/materije, zaznavna samo za občutljive detektorje. »Kljub temu moramo z antimaterijo manipulirati zelo previdno, sicer jo bomo izgubili,« je dejal Fajans.
Spuščanje antimaterije
»Na splošno izdelujemo antimaterijo in izvajamo nekakšen poskus poševnega stolpa v Pisi,« je dejal Wurtele in se skliceval na preprostejšega intelektualnega prednika njihovega eksperimenta, morda apokrifnega Galilejevega eksperimenta iz 16. stoletja, ki je pokazal enak gravitacijski pospešek dveh istočasno padlih predmetov podobne prostornine, vendar različne mase. »Pustimo antimaterijo in vidimo, ali gre gor ali dol.«
Za eksperiment ALPHA je bil antivodik vsebovan v visoki cilindrični vakuumski komori s spremenljivo magnetno pastjo, imenovano ALPHA-g. Znanstveniki so zmanjšali moč zgornjega in spodnjega magnetnega polja pasti, dokler atomi antivodika niso mogli pobegniti in ni postal očiten relativno šibek vpliv gravitacije.
Ko je vsak atom antivodika pobegnil iz magnetne pasti, se je dotaknil sten komore nad ali pod pastjo in se uničil, kar so znanstveniki lahko zaznali in prešteli.
Raziskovalci so poskus ponovili več kot dvanajstkrat in spreminjali jakost magnetnega polja na vrhu in na dnu pasti, da bi izključili morebitne napake. Opazili so, da ko so bila oslabljena magnetna polja natančno uravnotežena na vrhu in na dnu, je približno 80 odstotkov antivodikovih atomov izničilo pod pastjo – rezultat, ki je skladen s tem, kako bi se oblak navadnega vodika obnašal pod enakimi pogoji.
Tako je gravitacija povzročila padec antivodika.
Skrivnost materije in antimaterije
Kljub nekaterim skromnim virom antimaterije – kot so pozitroni, ki nastanejo pri razpadu kalija, celo v banani – je znanstveniki v vesolju ne vidijo veliko. Vendar zakoni fizike predvidevajo, da bi morala antimaterija obstajati v približno enakih količinah kot običajna snov.
Ena od možnih razlag je, da je antimaterijo med velikim pokom gravitacijsko odbijala navadna snov, čeprav nove ugotovitve kažejo, da se teorija ne zdi več verjetna.
»Izključili smo, da bi antimaterijo gravitacijska sila odbijala kot privlačila,« je dejal Wurtele. To ne pomeni, da ni razlike v gravitacijski sili na antimaterijo, dodaja. Le bolj natančna meritev bo povedala.
Raziskovalci iz kolaboracije ALPHA bodo še naprej raziskovali naravo antivodika. Poleg izpopolnjevanja njihovega merjenja učinka gravitacije preučujejo tudi interakcijo antivodika z elektromagnetnim sevanjem s spektroskopijo.
»Če bi bil antivodik nekako drugačen od vodika, bi bila to revolucionarna stvar, ker fizikalni zakoni, tako v kvantni mehaniki kot gravitaciji, pravijo, da bi moralo biti obnašanje enako,« je dejal Wurtele. »Vendar pa človek ne ve, dokler ne izvede poskusa.«
Novinar
