E' una legge fondamentale della fisica che anche la scienza-fobe più ardente può definire:la materia cade per gravità. Ma per quanto riguarda l'antimateria, che ha la stessa massa ma carica elettrica e spin opposti? Secondo la teoria della relatività generale di Einstein, la gravità dovrebbe trattare la materia e l'antimateria allo stesso modo. Trovare anche la minima differenza nel loro tasso di caduta libera porterebbe quindi a una rivoluzione nella nostra comprensione. Mentre la caduta libera della materia è stata misurata con una precisione di circa una parte su 100 trilioni, nessuna misura diretta dell'antimateria è stata ancora eseguita a causa della difficoltà di produrne e contenerne grandi quantità.

In un articolo recentemente pubblicato sulla rivista Fisica delle comunicazioni naturali , la collaborazione AEgIS presso l'Antiproton Decelerator (AD) del CERN segnala un'importante pietra miliare verso questo obiettivo. Utilizzando nuove tecniche sviluppate nel 2018, il team ha dimostrato la produzione pulsata di atomi di antiidrogeno, che consente di fissare con elevata precisione il momento in cui si formano gli antiatomi.

"Questa è la prima volta che la formazione pulsata di antiidrogeno è stata stabilita su scale temporali che aprono la porta alla manipolazione simultanea, da laser o campi esterni, degli atomi formati, nonché alla possibilità di applicare lo stesso metodo alla formazione pulsata di altri atomi antiprotonici, ", afferma il portavoce dell'AEgIS Michael Doser del CERN. "Conoscere il momento della formazione dell'antiidrogeno è uno strumento potente".

Il CERN è l'unico posto al mondo dove l'antiidrogeno può essere prodotto e studiato in dettaglio. L'antiidrogeno è un sistema ideale in cui testare la caduta libera gravitazionale e altre proprietà fondamentali dell'antimateria perché ha una lunga durata ed è elettricamente neutro. La prima produzione di antiidrogeno a basso consumo energetico, segnalato nel 2002 dalle collaborazioni ATHENA e ATRAP presso l'AD, coinvolto la ricombinazione "a tre corpi" di nubi di antiprotoni e positroni. Da allora, progressi costanti dalla collaborazione di ALPHA di AD nella produzione, la manipolazione e l'intrappolamento di quantità sempre maggiori di antiidrogeno ha permesso di determinare con squisiti dettagli le proprietà spettroscopiche e di altro tipo dell'antimateria.

Considerando che la ricombinazione a tre corpi si traduce in una fonte di antiidrogeno quasi continua, in cui non è possibile etichettare il tempo della formazione dell'antiatomo, AEgIS ha impiegato un processo alternativo di "scambio di carica" ​​in base al quale la formazione di atomi di antiidrogeno è innescata da un preciso impulso laser. Ciò consente di determinare il momento in cui viene prodotto il 90% degli atomi con un'incertezza di circa 100 ns.

Sono necessari diversi ulteriori passaggi prima che AEgIS possa misurare l'influenza della gravità sull'antimateria, compresa la formazione di un fascio pulsato, maggiori quantità di antiidrogeno, e la capacità di renderlo più freddo. "Con solo tre mesi di raggio quest'anno, e tante nuove attrezzature da commissionare, molto probabilmente il 2022 sarà l'anno in cui stabiliamo la formazione del fascio pulsato, che è un prerequisito per noi per eseguire una misurazione della gravità, " spiega Doser.

A seguito di una misurazione della prova di principio da parte della collaborazione ALPHA nel 2013, ALFA, AEgIS e un terzo esperimento di AD chiamato GBAR stanno pianificando di misurare la caduta libera degli antiatomi al livello dell'1% nei prossimi anni. Ognuno utilizza tecniche diverse, e tutti e tre sono stati recentemente collegati al nuovo sincrotrone ELENA, che consente la produzione di antiprotoni a bassissima energia.

Dato che la maggior parte della massa degli antinuclei deriva dalla forza forte che lega insieme i quark, i fisici ritengono improbabile che l'antimateria sperimenti una forza gravitazionale opposta alla materia. Tuttavia, misurazioni precise della caduta libera degli antiatomi potrebbero rivelare sottili differenze che aprirebbero un'importante crepa nella nostra attuale comprensione.