Antistofs gravitationsadfærd:Et uløst puslespil

Hvis du skulle tabe en stak antistof, ville den så falde op eller ned?

Einsteins generelle relativitetsteori forudsiger, at antistof ville falde ned i Jordens gravitationsfelt, og det er, hvad de fleste fysikere ville forvente, at resultatet ville være. Men på trods af at dette er vores bedste beskrivelse af tyngdekraften, ved vi, at der er huller i vores forståelse. Faktisk forudsiger Einsteins teori sin egen fiasko ved ekstremer som rumtids-singulariteter inde i sorte huller.

Der er også nogle spekulationer om, hvorvidt det modsatte kan være sandt. Vi kan ikke forklare universets udvidelse og geometri med det, vi ved om tyngdekraften, medmindre der er enorme mængder masse, som vi ikke kan se. Vi forklarer dette gennem begreberne mørk energi og mørkt stof, der interagerer med tyngdekraften og former det lyse univers. Disse kræfter er mystiske, og der er stadig meget, vi ikke har fundet ud af.

En spændende mulighed er, at antistof kan opføre sig anderledes end stof, når det kommer til tyngdekraften, og at stof og antistof måske endda frastøder hinanden. Det kunne hjælpe med at forklare universets form og udvidelse uden eksistensen af mørk energi.

Men intet er virkelig kendt, før det er blevet observeret. Og det er virkelig svært at observere antistof, fordi i det øjeblik det kolliderer med normalt stof, bliver begge dele udslettet.

ALPHA-samarbejdet er et internationalt team skabt til at undersøge antistofs adfærd og egenskaber. Resultaterne af deres første test af antistof i frit fald blev offentliggjort i denne uge i Nature.

Undersøgelsen var en del af en international indsats fra ALPHA-samarbejdet, som omfattede forfattere fra flere canadiske institutioner:TRIUMF, University of British Columbia, York University, University of Calgary, Simon Fraser University og British Columbia Institute of Technology.

Til deres undersøgelse skulle de lave antibrint for at observere, da dette er det mindste neutrale atom, der kan laves. Tyngdekraften er den svageste af de fire kendte kræfter, der virker på masser, og derfor ville enhver elektrisk ladning gøre det umuligt at observere tyngdekraftens virkninger.

Som de har gjort tidligere, lavede de antiprotoner i en partikelaccelerator og antielektroner (positroner) gennem radioaktivt henfald. Disse holdes først separat, og deres ladninger gør dem relativt nemme at fange i et næsten perfekt vakuum, hvilket holder dem væk fra stof ved hjælp af elektriske felter. Når de er klar, skubber ALPHA-forskerne de to sammen for at skabe lavenergi-antihydrogenatomer.

Når det er kombineret, er det resulterende antibrint ladningsneutralt, og de elektriske felter kan ikke længere holde dem. Selvom det meste af antibrinten vil ramme fældens vægge og blive ødelagt, udnytter stærke elektromagneter antibrints svage magnetiske egenskaber til at holde på resten. Til denne undersøgelse konstruerede holdet en lodret fælde flere meter høj for at holde antibrinten.

Inde i fælden tog holdet deres stabel af antibrintatomer og frigav dem langsomt, mens de gradvist reducerede strømmen i deres elektromagneter på en synkroniseret og symmetrisk måde, så antibrinten ville være fri til at undslippe fra toppen eller bunden. Positionerne for de efterfølgende udslettelsesbegivenheder kunne derefter måles for at se, om de faldt op eller ned.

Det observerede antibrint er stadig energisk nok til, at vi forventer, at nogle flyver ud i hver retning. Selv stakke af almindelig brint ville forventes at have en fordeling under tyngdekraften, hvor omkring 20 procent af atomerne kommer ud fra toppen, og resten falder ud i bunden. Så resultaterne blev sammenlignet med simuleringer for brint under de samme betingelser.

Men vi ved også, at magnetiske felter, som holdet også brugte som en del af antibrintfældedesignet, påvirker deres bevægelse. For at modvirke virkningerne af enhver herreløs magnetisk interferens gentog de den samme test med et magnetisk tryk af varierende styrke i begge retninger.

Under alle de testede forhold opførte antihydrogenet sig i et mønster svarende til resultaterne simuleret for almindeligt brint - og havde en tendens til at falde ned under påvirkning af tyngdekraften som normalt stof.

Den observerede styrke blev beregnet til 75 procent af det stof oplever, give eller tage de 29 procent fejl, der kunne komme fra statistiske, systematiske eller simuleringskilder.

Selvom overensstemmelsen med de simulerede værdier ikke var perfekt, er beviset i overensstemmelse med en attraktiv gravitationskraft og udelukker muligheden for en stof-antistof frastødende kraft.

De næste trin omfatter lagdeling på teknikker som laserkøling for yderligere at bremse antibrint ned for at tage endnu mere præcise målinger i fremtidige undersøgelser. Dette vil gøre det muligt for teamet bedre at måle den nøjagtige accelerationshastighed og finde ud af, om tyngdekraften er den samme for antistof som for stof.

Dette er et spændende øjeblik i partikelfysikken, der giver os indsigt i universets natur.