Se dovessi far cadere una pila di antimateria, cadrebbe su o giù?

La teoria della relatività generale di Einstein prevede che l’antimateria cadrebbe nel campo gravitazionale della Terra, e questo è ciò che la maggior parte dei fisici si aspetterebbe che fosse il risultato. Ma nonostante questa sia la nostra migliore descrizione della gravità, sappiamo che ci sono lacune nella nostra comprensione. In effetti, la teoria di Einstein prevede il proprio fallimento in situazioni estreme come le singolarità dello spaziotempo all'interno dei buchi neri.

C’è anche qualche speculazione sul fatto che potrebbe essere vero il contrario. Non possiamo spiegare l’espansione e la geometria dell’universo con ciò che sappiamo sulla gravità, a meno che non ci siano enormi quantità di massa che non possiamo vedere. Lo spieghiamo attraverso i concetti di energia oscura e materia oscura che interagiscono con la gravità e modellano l'universo luminoso. Queste forze sono misteriose e c'è ancora molto che non abbiamo capito.

Una possibilità interessante è che l’antimateria possa comportarsi diversamente dalla materia quando si tratta di gravità, e che materia e antimateria potrebbero addirittura respingersi a vicenda. Ciò potrebbe aiutare a spiegare la forma e l'espansione dell'universo senza l'esistenza dell'energia oscura.

Ma nulla è veramente noto finché non viene osservato. Ed è davvero difficile osservare l'antimateria perché nell'istante in cui si scontra con la materia normale, entrambe vengono annientate.

La collaborazione ALPHA è un team internazionale creato per esaminare il comportamento e le proprietà dell'antimateria. I risultati del loro primo test sull'antimateria in caduta libera sono stati pubblicati questa settimana su Nature.

Lo studio faceva parte di uno sforzo internazionale della collaborazione ALPHA, che comprendeva autori provenienti da diverse istituzioni canadesi:TRIUMF, l'Università della British Columbia, l'Università di York, l'Università di Calgary, la Simon Fraser University e il British Columbia Institute of Technology.

Per il loro studio, avevano bisogno di produrre antiidrogeno da osservare, poiché questo è il più piccolo atomo neutro che può essere prodotto. La gravità è la più debole delle quattro forze conosciute che agiscono sulle masse, quindi qualsiasi carica elettrica renderebbe impossibile osservare gli effetti della gravità.

Come hanno fatto in precedenza, hanno prodotto antiprotoni in un acceleratore di particelle e antielettroni (positroni) attraverso il decadimento radioattivo. Questi vengono prima tenuti separatamente e le loro cariche li rendono relativamente facili da intrappolare in un vuoto quasi perfetto, tenendoli lontani dalla materia utilizzando campi elettrici. Quando sono pronti, i ricercatori ALPHA uniscono i due per creare atomi di antiidrogeno a bassa energia.

Una volta combinato, l’antiidrogeno risultante ha carica neutra e i campi elettrici non possono più trattenerlo. Anche se la maggior parte dell'antiidrogeno colpirà le pareti della trappola e verrà distrutta, potenti elettromagneti sfruttano le deboli proprietà magnetiche dell'antiidrogeno per trattenere il resto. Per questo studio, il team ha costruito una trappola verticale alta diversi metri per trattenere l'antiidrogeno.

All'interno della trappola, il team ha preso la pila di atomi di antiidrogeno e li ha rilasciati lentamente, diminuendo gradualmente la corrente negli elettromagneti in modo sincronizzato e simmetrico in modo che l'antiidrogeno fosse libero di fuoriuscire dall'alto o dal basso. Le posizioni dei successivi eventi di annientamento potrebbero quindi essere misurate per vedere se cadevano verso l'alto o verso il basso.

L’antiidrogeno osservato è ancora abbastanza energetico da aspettarci che alcuni volino in ogni direzione. Ci si aspetterebbe che anche le pile di idrogeno normale abbiano una distribuzione sotto gravità, con circa il 20% degli atomi che fuoriescono dall’alto e il resto che cade dal basso. Quindi i risultati sono stati confrontati con simulazioni per l'idrogeno nelle stesse condizioni.

Ma sappiamo anche che i campi magnetici, che il team ha utilizzato anche come parte del progetto della trappola antiidrogeno, influenzano il loro movimento. Per contrastare gli effetti di qualsiasi interferenza magnetica vagante, hanno ripetuto lo stesso test con una spinta magnetica di diversa intensità in entrambe le direzioni.

In tutte le condizioni testate, l'antiidrogeno si è comportato in uno schema simile ai risultati simulati per l'idrogeno normale, tendendo a cadere sotto l'influenza della gravità come la materia normale.

La forza osservata è stata calcolata al 75% di ciò che la materia sperimenta, con o senza l'errore del 29% che potrebbe derivare da fonti statistiche, sistematiche o di simulazione.

Sebbene la corrispondenza con i valori simulati non fosse perfetta, le prove sono coerenti con una forza gravitazionale attrattiva ed escludono la possibilità di una forza repulsiva materia-antimateria.

I prossimi passi includono la stratificazione di tecniche come il raffreddamento laser per rallentare ulteriormente l’antiidrogeno per effettuare misurazioni ancora più precise negli studi futuri. Ciò consentirà al team di misurare meglio l'esatto tasso di accelerazione e di scoprire se l'attrazione della gravità è la stessa per l'antimateria e per la materia.

Questo è un momento emozionante nella fisica delle particelle che ci dà un'idea della natura dell'universo.