Πώς αλληλεπιδρά η αντιύλη με τη βαρύτητα;

Μέσω του πειράματος Αlpha του Cern παρατηρήθηκε η επιρροή της βαρύτητας στην αντιύλη, με το αποτέλεσμα αυτού να αποτελεί ορόσημο στη μελέτη των ιδιοτήτων και της συμπεριφοράς της.

Το έργο του Isaac Newton πάνω στη βαρύτητα πολλές φορές λέγεται ότι εμπνεύστηκε από την παρατήρηση ενός μήλου που έπεφτε στο έδαφος από ένα δέντρο. Τι θα συνέβαινε όμως αν το μήλο αυτό αποτελούνταν από αντιύλη; Σύμφωνα με τη Γενική Θεωρία Σχετικότητας του Einstein η επιρροή της βαρύτητας στην ύλη και την αντιύλη πρέπει να είναι ίδια. Είναι όμως; Μήπως υπάρχουν δυνάμεις μακρινής εμβέλειας πέραν της βαρύτητας που επηρεάζουν την κίνηση των ατόμων αντιύλης;

Σε ένα άρθρο που δημοσιεύτηκε στις 27/9/2023 στο περιοδικό Nature, αναφέρεται πως το πείραμα Alpha στο Εργαστήριο Αντιύλης του Cern έδειξε ότι άτομα αντιυδρογόνου, που αποτελούνται από ένα ποζιτρόνιο¹ που βρίσκεται σε τροχιά γύρω από ένα αντιπρωτόνιο, πέφτουν στη Γη με τον ίδιο τρόπο όπως και τα άτομα υδρογόνου².

Ο εκπρόσωπος του πειράματος Jeffrey Hangst δήλωσε “Αυτό είναι το πρώτο άμεσο πείραμα που μελετά την επίδραση της βαρύτητας στην κίνηση της αντιύλης. Είναι ένα ορόσημο στη μελέτη της αντιύλης, η οποία μας παραξενεύει ακόμα λόγω της φαινομενικής της απουσίας στο Σύμπαν³’’.

Στο πείραμα Alpha δημιουργούνται άτομα αντιυδρογόνου παίρνοντας αρνητικά φορτισμένα αντιπρωτόνια, τα οποία παράγονται και επιβραδύνονται από τα μηχανήματα AD και ΕLENA του εργαστηρίου αντιύλης, και συνδυάζονται με θετικά φορτισμένα ποζιτρόνια που εκπέμπονται από μια πηγή Νατρίου-22. Τα ουδέτερα αλλά ελαφρώς μαγνητισμένα άτομα αντιυδρογόνου περιορίζονται σε μια μαγνητική παγίδα, η οποία τα εμποδίζει να έρθουν σε επαφή με ύλη και να εξαϋλωθούν.

Πιο συγκεκριμένα, εγκλωβίζονται ομάδες περίπου 100 ατόμων αντιυδρογόνου στη μαγνητική παγίδα και στη συνέχεια απελευθερώνονται αργά, μέσα σε ένα χρονικό διάστημα 20 δευτερολέπτων, μειώνοντας σταδιακά το ρεύμα των μαγνητών που βρίσκονται στο πάνω και στο κάτω μέρος της παγίδας. Οι προσομοιώσεις της διάταξης Alpha-g υποδεικνύουν ότι, για την ύλη, αυτή η λειτουργία θα οδηγούσε σε περίπου 20% των ατόμων να εξέρχονται από την κορυφή της παγίδας και 80% από το κάτω μέρος, εξαιτίας της δύναμης της βαρύτητας. Από τον μέσο όρο των αποτελεσμάτων από επτά δοκιμές, διαπιστώθηκε ότι τα ποσοστά των αντι-ατόμων που εξέρχονταν από την κορυφή⁴ και το κάτω μέρος ήταν σύμφωνα με τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων (και άρα η αντιύλη συμπεριφέρεται, υπό την επίδραση της βαρύτητας, όπως και η γνωστή μας ύλη).

Η πλήρης μελέτη περιελάμβανε την επανάληψη του πειράματος αρκετές φορές για διάφορες τιμές ενός επιπρόσθετου μαγνητικού πεδίου, το οποίο θα μπορούσε είτε να ενισχύσει είτε να αντιταχθεί στη δύναμη της βαρύτητας. Αναλύοντας τα δεδομένα παρατηρήθηκε ότι εντός της ακρίβειας του τρέχοντος πειράματος (περίπου 20% του g, που είναι  η επιτάχυνση της βαρύτητας στην επιφάνεια της Γης), η επιτάχυνση ενός αντιυδρογόνου είναι ταυτόσημη με την καθιερωμένη, ελκτική βαρυτική δύναμη μεταξύ της ύλης και της Γης.

Το Εργαστήριο Αντιύλης του CERN είναι μια από τις εξειδικευμένες εγκατάστασεις για την παραγωγή και τη μελέτη της αντιύλης  παγκόσμια. Δύο άλλα πειράματα που πραγματοποιούνται εκεί, τα AEgIS και GBAR, έχουν κοινό στόχο με το ALPHA, τη μέτρηση – με υψηλή ακρίβεια – της βαρυτικής επιτάχυνσης της ατομικής αντιύλης. Επίσης, στο Εργαστήριο Αντιύλης πραγματοποιείται και το πείραμα BASE. Ο κύριος σκοπός του είναι να συγκρίνει με λεπτομέρεια τις ιδιότητες του πρωτονίου με αυτές του αντι-πρωτονίου, ενώ πρόσφατα ανέλυσε και τη βαρυτική συμπεριφορά αυτών των δύο σωματιδίων.

Μπορείτε να παρακολουθήσετε το παρακάτω βίντεο για μια ανάλυση της μεθοδολογίας του πειράματος αλλά και της πειραματικής διάταξης:
https://videos.cern.ch/record/2298631

¹Το ποζιτρόνιο είναι το αντισωμάτιο του ηλεκτρονίου. Είναι πανομοιότυπα μεταξύ τους αλλά το ποζιτρόνιο έχει θετικό φορτίο σε αντίθεση με το ηλεκτρόνιο που έχει αρνητικό. Αντίστοιχα, το αντιπρωτόνιο είναι το αντισωμάτιο του πρωτονίου, με το αντιπρωτόνιο να έχει αρνητικό φορτίο, αντίθετα με το πρωτόνιο που έχει θετικό.

²Το υδρογόνο είναι η απλούστερη μορφή ατόμου και αποτελείται από ένα πυρήνα με ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο που βρίσκεται σε τροχιά γύρω του. 

³Σύμφωνα με την θεωρια της Μεγάλης Έκρηξης, το συμπάν τη στιγμή της δημιουργίας του ήταν συμμετρικό, δηλαδή είχε τον ίδιο αριθμό σωματιδίων και αντισωματιδίων τα οποία βρισκόντουσαν σε μια διαδικασία αέναης εξαύλωσης και αναπαραγωγής, θέτοντας αδύνατη την δημιουργία οποιαδήποτε δομής στο Σύμπαν (αστέρια, πλανήτες κλπ.). Πιστεύεται λοιπόν ότι κάποια στιγμή, αυτή η ισορροπία διαταράχθηκε, οδηγώντας σε συνεχώς αυξανόμενη ασυμμετρία και τελικά στην πλήρη επικράτηση του ενός, αυτού που εμείς σήμερα λέμε ύλη.

⁴Τα αντι-άτομα δεν δημιουργούνται σε κατάσταση ηρεμίας, αλλά έχουν μια μικρή κινητική ενέργεια, με αποτέλεσμα κάποια από αυτά να υπερνικούν την ελκτική δύναμη της βαρύτητας και να διαφύγουν προς τα πάνω. Αν δεν υπήρχε βαρύτητα, προς τα πάνω θα έφευγαν τα μισά.

Πηγή: https://home.cern/news/news/physics/alpha-experiment-cern-observes-influence-gravity-antimatter