AEgIS på vej til at teste frit fald af antimateriale

Det er en grundlæggende fysiklov, som selv den mest ivrige videnskabsfobe kan definere:stof falder ned under tyngdekraften. Men hvad med antimateriale, som har samme masse, men modsat elektrisk ladning og spin? Ifølge Einsteins generelle relativitetsteori, tyngdekraften skal behandle stof og antimaterie identisk. At finde selv den mindste forskel i deres frit fald ville derfor føre til en revolution i vores forståelse. Mens det frie fald af stof er blevet målt med en nøjagtighed på omkring en del i 100 billioner, der er endnu ikke udført nogen direkte måling for antimateriale på grund af vanskeligheden ved at producere og indeholde store mængder af det.

I et papir, der for nylig blev offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation Fysik , AEgIS -samarbejdet ved CERN's Antiproton Decelerator (AD) rapporterer en stor milepæl mod dette mål. Ved hjælp af nye teknikker udviklet i 2018, holdet demonstrerede pulserende produktion af antihydrogenatomer, hvilket gør det muligt at fastgøre det tidspunkt, hvor antiatomer dannes, med høj nøjagtighed.

"Det er første gang, at pulserende dannelse af antihydrogen er blevet etableret på tidsskalaer, der åbner døren for samtidig manipulation, ved lasere eller eksterne felter, af de dannede atomer, samt muligheden for at anvende den samme metode til pulserende dannelse af andre antiprotoniske atomer, "siger AEgIS -talsmand Michael Doser fra CERN." At kende tidspunktet for antihydrogendannelse er et stærkt værktøj. "

CERN er det eneste sted i verden, hvor antihydrogen kan produceres og studeres i detaljer. Antihydrogen er et ideelt system til at teste tyngdekraftens frie fald og andre grundlæggende egenskaber ved antimateriale, fordi det har en lang levetid og er elektrisk neutralt. Den første produktion af lavenergi antihydrogen, rapporteret i 2002 af ATHENA og ATRAP -samarbejderne i AD, involverede "tre-krops" rekombination af skyer af antiprotoner og positroner. Siden da, støt fremskridt ved AD's ALPHA -samarbejde om at producere, manipulering og indfangning af stadig større mængder antihydrogen har gjort det muligt at bestemme spektroskopiske og andre egenskaber af antimateriale i udsøgte detaljer.

Mens rekombination med tre krop resulterer i en næsten kontinuerlig antihydrogenkilde, hvor det ikke er muligt at mærke tidspunktet for antiatomdannelsen, AEgIS har anvendt en alternativ "ladningsudveksling" -proces, hvorved dannelsen af ​​antihydrogenatomer udløses af en præcis laserpuls. Dette gør det muligt at bestemme det tidspunkt, hvor 90% af atomerne fremstilles, med en usikkerhed på omkring 100 ns.

Der kræves flere yderligere trin, før AEgIS kan måle tyngdekraftens indflydelse på antimateriale, herunder dannelse af en pulserende stråle større mængder antihydrogen, og evnen til at gøre det koldere. "Med kun tre måneders stråletid i år, og masser af nyt udstyr til idriftsættelse, sandsynligvis vil 2022 være året, hvor vi etablerer pulserende stråledannelse, hvilket er en forudsætning for at vi kan foretage en tyngdekraftsmåling, "forklarer Doser.

Efter en principfast måling ved ALPHA-samarbejdet i 2013, ALPHA, AEgIS og et tredje AD -eksperiment kaldet GBAR planlægger alle at måle det frie fald af antiatomer på 1% -niveau i de kommende år. Hver bruger forskellige teknikker, og alle tre er for nylig blevet tilsluttet den nye ELENA -synkrotron, som muliggør produktion af meget lavenergi antiprotoner.

I betragtning af at det meste af massen af ​​antinuclei kommer fra den stærke kraft, der binder kvarker sammen, fysikere synes det er usandsynligt, at antimateriale oplever en modsat tyngdekraft til materie. Alligevel, præcise målinger af antiatoms frie fald kunne afsløre subtile forskelle, der ville åbne en vigtig revne i vores nuværende forståelse.