Antymateria jest w pewnym sensie "odwrotnością” zwykłej materii, z jakiej są zbudowane nasze ciała i cały obserwowany świat. Antycząstki są podobne do "zwyczajnych" cząstek elementarnych, ale mają przeciwny znak ładunku elektrycznego. Odwrotne są także wartości opisujące ich właściwości kwantowe.

Atomy najprostszego antypierwiastka, antywodoru, złożone są z antyprotonu (o ujemnym ładunku elektrycznym) oraz antyelektronu (pozytonu) o ładunku dodatnim. Jeśli antyatom napotka atom zwykłej materii (na przykład ściankę komory doświadczalnej), ulega anihilacji, całkowicie zmieniając w energię masę swoją i równoważnej ilości materii. Taki rozbłysk wysokoenergetycznego promieniowania jest stosunkowo łatwy do zarejestrowania przez odpowiednio czułe detektory.

Jako źródło energii antymateria często pojawia się w kulturze masowej – na przykład jako napęd statku kosmicznego Enterprise w serialu „Star Trek” czy materiał na bombę w „Aniołach i demonach”. W rzeczywistości niewielkie ilości antymaterii pojawiają się i znikają cały czas – pozytony powstają na przykład podczas rozpadu promieniotwórczego potasu, którego sporo zawiera każdy pomidor czy banan. Jednak prawa fizyki przewidują, że antymateria powinna występować we Wszechświecie w mniej więcej równych ilościach, co zwykła materia. Naukowcy nazywają tę zagadkę problemem bariogenezy.

Przeprowadzony w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN) eksperyment Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA) wykazał, że pod wpływem ziemskiej grawitacji opuszczające pułapkę magnetyczną atomy antywodoru kierują się w dół.

Na potrzeby eksperymentu ALPHA antywodór znajdował się w wysokiej cylindrycznej komorze próżniowej ze zmienną pułapką magnetyczną, zwaną ALPHA-g. Naukowcy osłabiali działanie górnego i dolnego pola magnetycznego pułapki do czasu, aż uwidoczniło się stosunkowo słabe oddziaływanie grawitacji i atomy antywodoru mogły wydostać się z pułapki.

Eksperyment powtórzono kilkanaście razy, zmieniając natężenie pola magnetycznego na górze i na dole pułapki, aby wykluczyć możliwe błędy. Gdy osłabione pola magnetyczne na górze i na dole zostały dokładnie zrównoważone, około 80 proc. atomów antywodoru ulegało anihilacji pod pułapką – w podobny sposób zachowałaby się w tych samych warunkach chmura atomów zwykłego wodoru.

Zdaniem autorów ich eksperyment może wyjaśnić, dlaczego antymateria pozornie zaginęła na wczesnym etapie rozwoju Wszechświata. Na pewno nie dlatego, że grawitacja wypchnęła ją z obserwowalnej części Wszechświata.

„Ogólna teoria względności Einsteina mówi, że antymateria powinna zachowywać się dokładnie tak samo jak materia – powiedział cytowany przez "New Scientist" Jonathan Wurtele z University of California w Berkeley. - Wiele pośrednich pomiarów wskazuje, że grawitacja oddziałuje z antymaterią zgodnie z oczekiwaniami. Ale aż do dzisiejszych wyników nikt tak naprawdę nie przeprowadził bezpośredniej obserwacji, która mogłaby wykluczyć na przykład ruch antywodoru w polu grawitacyjnym w górę, a nie w dół”.

„Wykluczyliśmy, że antymateria jest odpychana przez siłę grawitacji, a nie przyciągana – podkreślił Wurtele. - Nie oznacza to, że nie ma różnicy w sile grawitacji działającej na antymaterię. Dopiero dokładniejszy pomiar będzie w stanie to wykazać".

Dalsze badania w ramach programu Alpha, oprócz udoskonalenia pomiarów wpływu grawitacji, zbadają na przykład interakcję antywodoru z promieniowaniem elektromagnetycznym za pomocą spektroskopii.

„Gdyby antywodór różnił się w jakiś sposób od wodoru, byłoby to rewolucyjne, ponieważ prawa fizyczne, zarówno mechaniki kwantowej, jak i grawitacji, mówią, że zachowanie powinno być takie samo” – zaznaczył Wurtele.

Więcej informacji w artykule źródłowym (https://www.nature.com/articles/s41586-023-06527-1). (PAP)

Autor: Paweł Wernicki

pmw/ bar/