Материя и антиматерия одинаково реагируют на гравитацию

Проверка слабого принципа эквивалентности.

Материя и антиматерия создают одни из самых интересных проблем современной физики. По сути, они эквивалентны, за исключением того, что если частица имеет положительный заряд, то античастица имеет отрицательный заряд. В остальном они кажутся эквивалентными. Однако одна из величайших загадок современной физики, известная как «барионная асимметрия», заключается в том, что, несмотря на то, что они кажутся эквивалентными, Вселенная кажется полностью состоящей из материи с очень небольшим количеством антиматерии. Естественно, ученые всего мира изо всех сил пытаются найти что-то другое между ними, что могло бы объяснить, почему мы существуем.

В рамках этого поиска ученые исследовали, взаимодействуют ли материя и антиматерия с гравитацией аналогичным образом, или же антиматерия будет испытывать гравитацию иначе, чем материя, что нарушит принцип слабой эквивалентности Эйнштейна. Теперь коллаборация BASE показала в строгих рамках, что антиматерия на самом деле реагирует на гравитацию так же, как и материя.

Открытие, опубликованное в журнале Nature, на самом деле было получено в результате другого эксперимента, в ходе которого изучались отношения заряда к массе протонов и антипротонов — одно из других важных измерений, которые могли определить ключевое различие между ними.

Эта работа потребовала 18 месяцев работы на заводе ЦЕРН по производству антивещества. Чтобы провести измерения, команда поместила антипротоны и отрицательно заряженные ионы водорода, которые они использовали в качестве заменителей протонов, в ловушку Пеннинга.

В этом устройстве частица движется по циклической траектории с частотой, близкой к циклотронной частоте, которая зависит от напряженности магнитного поля ловушки и отношения заряда частицы к массе.

Подавая в ловушку антипротоны и отрицательно заряженные ионы водорода по одному, они смогли измерить в идентичных условиях циклотронные частоты двух типов частиц, сравнив их отношение заряда к массе. По словам Стефана Ульмера, руководителя проекта, «сделав это, мы смогли получить результат, который по существу эквивалентен, в четыре раза точнее, чем предыдущие измерения. На этом уровне СРТ-инвариантности, причинности и локальности сохраняются релятивистские квантовые теории поля Стандартной модели».

Интересно, что группа использовала измерения для проверки фундаментального закона физики, известного как принцип слабой эквивалентности. Согласно этому принципу, разные тела в одном и том же гравитационном поле должны испытывать одинаковое ускорение при отсутствии сил трения.

Поскольку эксперимент BASE располагался на поверхности Земли, измерения циклотронной частоты протонов и антипротонов проводились в гравитационном поле на поверхности Земли, и любая разница между гравитационным взаимодействием протонов и антипротонов привела бы к различию между циклотронные частоты.

Измеряя гравитационное поле Земли, когда планета вращается вокруг Солнца, ученые обнаружили, что материя и антиматерия одинаково реагируют на гравитацию вплоть до степени, равной трем стотысячным, что означает, что гравитационное ускорение материи и антиматерии равно идентичны в пределах 97% испытанного ускорения.

Ульмер добавляет, что эти измерения могут привести к новой физике. Он говорит: «3% точность гравитационного взаимодействия, полученная в этом исследовании, сравнима с целью точности гравитационного взаимодействия между антиматерией и материей, которую другие исследовательские группы планируют измерить, используя свободно падающие атомы антиводорода.

Если результаты нашего исследования будут отличаться от результатов других групп, это может привести к заре совершенно новой физики».