Часть установки ALPHA: зона падения (Drop Zone)
Drop zone: part of the ALPHA experiment
ALPHA взвешивает антивещество
Физики в эксперименте ALPHA в CERN сделали важный первый шаг к измерению гравитационной массы антиводорода, состоящего из позитрона окружающего антипротон. Они не заметили ни одного свидетельства того, что антиатомы реагируют на гравитацию иначе, чем атомы и возможность того, что антивещество реагирует гораздо сильнее на гравитацию, чем вещество, была закрыта. Работа включала измерение времени, необходимого атомам антиводорода, чтобы достичь края магнитной ловушки после того, как она была выключена.
Не смотря на то, что анти-атомы могут звучать как научная фантастика, они были впервые обнаружены в ЦЕРНе в 1995 году и в Женевской лаборатории в настоящее время проводятся несколько экспериментов по исследованию их свойств.
Несмотря на большое количество теоретических и экспериментальных работ предполагающих, что гравитация действует в точности так же на антивещество, как и на вещество, не было никакого прямого измерения влияния гравитации на падение антивещества. Но обнаружение даже мельчайших различий между поведением вещества и антивещества очень важно, поскольку это может пролить свет на такие тайны как, например, почему так мало антивещества во вселенной, а также какова тонкая природа темной материи и темной энергии.
Такие эксперименты сложны, если не сказать больше. С одной стороны, необходимо собрать достаточно антиатомов для проведения эксперимента, что до недавнего времени было само по себе очень тяжело, а, с другой стороны, физики также должны убедиться, что анти-атомы движутся очень медленно, став свободными. Если у них есть большое количество теплового движения, когда они падают, то любые тонкие различия в том, как анти-атомы падают, будут вымываться этим случайным движением. Поэтому атомы должны быть охлаждены в основной своей массе, чтобы уменьшить их случайное тепловое движение.
Вглядываясь в старые данные
Физики в антиводородном эксперименте ALPHA в ЦЕРНе уже проанализировали результаты измерений от 2010-2011 и собрали все, что можно собрать о гравитационных свойствах антиводорода. Установка ALPHA была разработана в первую очередь для улавливания и удержания большого количества антиводородных анти-атомов, которые изготавливаются путем объединения позитронов от радиоактивного источника с антипротонами, произведенными антипротонным замедлителем в ЦЕРНе (CERN's Antiproton Decelerator facility). Конечной целью эксперимента является проведение спектроскопии антиводорода, чтобы убедиться, что его уровни энергии зеркальны уровням энергии водорода.
При выключении магнитной ловушка установки ALPHA, облако антиводорода начинает расширяться и, когда анти-атом достигает твердой поверхности внутренности ловушки, он аннигилирует, производя вспышку излучения, которое может быть обнаружено. Исследователи записали положение каждой аннигиляции и время, когда это произошло - это дало им траектории каждого атома. Начальная выборка в эксперименте составила 434 анти-атома, но было обнаружено, что только 23 из них двигались достаточно медленно, чтобы сделать значимый анализ влияния гравитации.
Гравитация или антигравитация
В результате своего анализа, исследователи оказались в состоянии установить первые прямые ограничения на отношение гравитационной массы к инертной массе антиводорода. Нормальное вещество имеет это отношение равное единице - величина большая, чем единица означала бы более сильное действие гравитации на антиводород, вследствие чего он будет быстрее падать, чем водород. Более интригующим является отрицательное значение отношения, которое будет указывать на силу, действующую в направлении, противоположном силе тяжести - или, другими словами антигравитация.
В своем анализе, исследователи в состоянии исключить значения отношения меньше -65 и больше, чем примерно +110. Не смотря на то, что такие экстремальные отношения и не ожидались, руководитель пресс-службы эксперимента, Джефри Хэнгст (Jeffrey Hangst), сказал для physicsworld.com, что работа «доказывает в принципе», что магнитная ловушка может быть использована для измерения гравитационной массы антиводорода.
Что физики действительно хотят сделать, так это посмотреть на значения отношения в диапазоне от -1 до 1; другими словами, сначала исключить полностью антигравитацию, а затем искать малые отклонения от 1. Хэнгст говорит, что исследователи смогут сосредоточиться на диапазоне от -1 до 1, когда эксперимент возобновится в ЦЕРНе в 2015 году. Это станет возможным, в частности, благодаря усовершенствованиям процесса измерений. Кроме того, следующее поколение эксперимента, ALPHA -2, предназначено для улавливания большего количества холодного антиводорода, что также должно улучшить измерения.
Специально разработанная ловушка?
Пока группа ALPHA получает свои гравитационно-массовы данные «бесплатно» [«заодно», «попутно»], потому что в других экспериментах также выключают ловушки, но из-за этого не возможна полная оптимизация измерений, поскольку это может оказать отрицательное влияние на другие [основные] аспекты экспериментальной программы. Заглядывая в будущее, Хэнгст говорит, что можно рассмотреть специально построенную ловушку для изучения гравитационной массы антиводорода.
Исследователи группы ALPHA не единственные в ЦЕРНе, кто хотят обнаружить или закрыть антигравитацию. В частности, в эксперименте AEGIS пытаются измерить гравитационную массу антиводорода. В этом эксперименте вместо захвата антиатомов, посылают горизонтально сгусток-луч холодного антиводорода через «дефлектомер Муара» ("Moiré deflectomer"), пропускающий только антиатомы в очень узком диапазоне скоростей. Ожидается, что этот луч при пролете падает на 20 мкм под действием силы тяжести, и исследователи будут искать любые крошечные отклонения от этого падения. Представитель проекта AEGIS Майкл Дозер (Michael Doser) говорит, что его коллаборация приветствует «здоровую конкуренцию», и добавляет, что «возможно группа ALPHA сможет добиться успеха».
Если любой из групп удастся найти разницу в гравитационной массе водорода и антиводорода, это явится неожиданным благом для физиков, пытающихся понять, почему почти все антивещество, созданное в результате Большого Взрыва, исчезло с тех пор. «Существует что-то подозрительное в гравитации», говорит задумчиво Дозер, отмечая, что важные тайны, такие как природа темной материи и темной энергии также, как представляется, связаны с этой силой.
ENGLISH VERSION
НА ГЛАВНУЮ
