Через 350 лет после того, как Ньютон глубоко задумался о падающих на землю яблоках, современные ученые взялись за изучение того, как гравитация влияет на антиматерию. Правда, размером эта антиматерия не с яблоко, а с самый маленький атом, какой только есть, — атом водорода.
Возможно, услышав слово «антиматерия», многие подумают, что речь идет о научной фантастике. Она, например, упоминается в качестве топлива в телесериале «Звездный путь» или как взрывчатое вещество в книге и фильме «Ангелы и демоны».
Однако за пределами Голливуда антиматерию используют в гораздо более земных и полезных целях — например, для диагностики рака с помощью позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Позитрон — это античастица электрона.
Почти идентичный близнец материи
Позитрон во всем идентичен электрону — за исключением того, что у него противоположный заряд. Если позитрон соприкасается с электроном, они взаимоуничтожаются, испуская вспышку света.
Эксперименты с антиматерией простыми не назовешь, ведь антивещество исчезает, встречаясь с обычным веществом. Первые атомы антивещества в ЦЕРНе создали в 2002 году. Тогда ученым удалось соединить позитроны и антипротоны, получив в результате антиводород.
«Антиводород электрически нейтрален. Поэтому мы можем его использовать для измерения гравитации без помех со стороны электромагнитных полей», — рассказывает Антуан Кампер (Antoine Camper), изучающий физику высоких энергий в Университете Осло и участвующий в проекте AEgIS.
Момент триумфа
Ученым, проводящим эксперимент AEgIS, удалось создать антиводород по-своему.
«Когда мы этого добились, мы откупорили шампанское», — рассказывает Кампер.
Способ, с помощью которого создают водород ученые из проекта AEgIS, позволяет точно определить, когда именно образовались атомы. «Это необходимое условие для проведения нужных нам измерений», — объясняет Кампер.
План исследователей заключается в том, чтобы произвести первые непосредственные измерения гравитационного воздействия Земли на антиматерию. Другими словами, они будут измерять ускорение свободного падения на поверхности Земли. Этот показатель обозначают символом g, и именно его используют в науке, изучая падающие предметы.
Есть признаки того, что разница между g для материи и g для антиматерии составит менее 10-6, если вообще она вообще обнаружится.
Почему во вселенной нет антивещества (почти)?
Изучать антивещество начали для того, чтобы понять, почему наша вселенная в конечном итоге состоит практически исключительно из вещества. Ведь мы предполагаем, что сразу после Большого взрыва в космосе было равное количество материи и антиматерии.
Когда частицы материи и антиматерии взаимоуничтожились, антиматерия исчезла. Но и мы, и остальная вселенная все еще здесь, а это значит, что материи изначально был некоторый избыток.
Прежде чем ученые эксперимента AEgIS смогут изучить антиводород в свободном падении, нужно сделать кое-что еще.
«Мы должны создать больше атомов, а также научиться контролировать направление, в котором они движутся», — говорит Кампер.
По его словам, норвежские ученые участвуют в эксперименте вот уже десять лет. Вместе с норвежскими научными организациями Sintef и Ideas исследователи и инженеры из Университета Осло разрабатывают для эксперимента новый детектор. Норвежцы намерены продолжать помогать эксперименту AEgIS через местное отделение ЦЕРН, а также благодаря стипендии «Молодые таланты в области науки», которую Кампер получил в 2019 году.
Так что там с антияблоками?
Падают ли антияблоки вверх? Ответа на этот вопрос у нас пока нет, но вообще это маловероятно.
Большая часть массы антиводорода находится в ядре и обеспечивается безмассовыми глюонами, связывающими кварки, из которых состоят протоны и нейтроны. А это значит, что основная часть массы у водорода и антиводорода — одинаковая.
Однако по-прежнему не исключено, что антияблоки падают не так быстро. Будущее покажет.