Po raz pierwszy zaobserwowano, jak grawitacja wpływa na antymaterię. Jednak nie ma ona „ujemnej masy”

W tym artykule:

1. Antymateria w polu grawitacyjnym
2. Pułapka magnetyczna na antymaterię
3. Skąd się wzięła antymateria we Wszechświecie?

Krzywa Wieża to jeden z zachwycających zabytków na Placu Cudów w Pizie. Stojąc tam, łatwo wyobrazić sobie, dlaczego właśnie ją wybrał Galileusz do przeprowadzenia eksperymentów, badających wpływ przyciągania ziemskiego na ciała o różnej masie. Według legendy w drugiej połowie XVI w. Galileusz zrzucał z Krzywej Wieży metalowe kule różnej wielkości. Następnie mierzył czas, po którym docierały na ziemię. Ustalił, że – jeśli nie istnieje opór powietrza – wszystkie ciała spadają na ziemię ze stałym przyspieszeniem.

Jednak kilka wieków temu nikt nie miał pojęcia, że we Wszechświecie istnieje nie tylko zwykła materia. Dopiero od lat 30. XX wieku naukowcy zdali sobie sprawę z tego, że zbudowany ze zwykłej materii świat ma swojego brata bliźniaka, składającego się antymaterii. Każda cząstka ma swoje przeciwieństwo: antycząstkę. Ma ona przeciwny ładunek elektryczny (w przypadku cząstek nim obdarzonych).

Bliźniacy powinni pozostawać od siebie stale oddzieleni. Gdy bowiem cząstka spotyka się z antycząstką, dochodzi do anihilacji. Obie znikają, uwalnia się zaś porcja energii w postaci promieniowania.

Antymateria w polu grawitacyjnym

Odkrycie antymaterii doprowadziło to do intrygującego pytania. Jak zachowuje się ona w polu grawitacyjnym? Co by było, gdyby Galileusz – czysto teoretycznie − zrzucał z Krzywej Wieży kule zbudowane nie z cząstek, ale z antycząstek? Albo gdyby na głowę Newtona spadło antyjabłko? A może w ogóle nie spadłoby – bo na antycząstki działałaby antygrawitacja? Czyli przeciwieństwo dobrze nam znanej grawitacji, która na co dzień trzyma nas na krzesłach. Czy antymateria ma „ujemną masę”?

Naukowcy po raz pierwszy wykorzystali cząstkę antymaterii. Przełomowy eksperyment

Naukowcy przeprowadzili doświadczenie z użyciem pozytonu – cząstki elementarnej antymaterii. To kolejny krok na drodze do zrozumienia mechanizmów działania Wszechświata.

Zespół naukowców z CERN-u rozstrzygnął właśnie tę kwestię z pomocą doświadczeń opisanych w prestiżowym czasopiśmie naukowym „Nature”. Doświadczenia te co do zasady przypominają testy przeprowadzane przez Galileusza. – Ogólnie rzecz ujmując, wytwarzamy antymaterię i robimy rodzaj eksperymentu, taki jak z Krzywą Wieżą w Pizie – mówi prof. Jonathan Wurtele, fizyk teoretyczny z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. – Wypuszczamy antymaterię, a następnie sprawdzamy, czy unosi się, czy też opada.

Pułapka magnetyczna na antymaterię

W rzeczywistości przeprowadzenie „grawitacyjnego” testu z antymaterią wcale nie jest takie proste. Już samo wytworzenie antymaterii i utrzymanie jej udaje się badaczom dopiero od niedawna. Pierwsze dziesięć atomów antywodoru wyprodukował zespół prof. Waltera Oelerta w 1995 r. w CERN-ie. Szesnaście lat później wytworzono już kilkaset atomów antywodoru, które udało się utrzymać przez kilkanaście minut. Otworzyło to drogę do dalszych doświadczeń z antymaterią.

W najnowszym teście również wykorzystano antywodór. Naukowcy wypuszczali po 100 atomów antywodoru schłodzonych do pół stopnia powyżej zera bezwzględnego (czyli do minus 273,15 st. C) do specjalnego pojemnika. Była to mierząca 25 cm butla magnetyczna otwierana u góry i u dołu. Precyzyjne obliczenia wykazały, że antyatomy częściej uciekały – czyli ulegały anihilacji – na dole pojemnika. Co wskazuje, że działała na nie siła grawitacji. I to w ten sam sposób, w jaki działa na zwykłą materię.

Skąd się wzięła antymateria we Wszechświecie?

Przyjmuje się, że antymateria powstała w czasie Wielkiego Wybuchu, tak jak zwykła materia. I że była jej bardzo podobna ilość. Później cząstki spotykały antycząstki i anihilowały, uwalniając energię. Jednak tutaj pojawia się zagadka. Gdyby materii było na początku dokładnie tyle samo, ile antymaterii, Wszechświat byłby zupełnie pusty, ponieważ obie by zniknęły. Co prowadzi do wniosku, że w powyższym rozumowaniu istnieje jakaś luka.

Teleskop Webba zrobił zdjęcie pierścienia Einsteina. Dzieli go od Ziemi aż 12 mld lat świetlnych

Na jednym ze zdjęć zrobionych przez Kosmiczny Teleskop Webba magistrant astronomii wypatrzył niemal idealny pierścień Einsteina. Niezwykła fotografia powstała dzięki MIRI – jednemu z czte...

Naukowcy przypuszczają, że na początku materii powstało nieco więcej niż antymaterii. Choć wciąż pozostaje pytanie – dlaczego? Inne, znacznie mniej popularne wyjaśnienie zakłada, że może istnieć antygrawitacja. Czyli oddziaływanie, które „odpycha” antymaterię od materii. Teoria ta jest uważana za mało prawdopodobną. – Jednak dopóki czegoś nie zmierzysz, po prostu nie wiesz – zauważa Jeffrey Hangst, duński fizyk cząstek, rzecznik ALPHA, projektu CERN do badań antymaterii.

Teraz jednak jest już jasne, że teoria antygrawitacji jest nieprawdziwa. – Zajęło nam trzydzieści lat, by nauczyć się wytwarzać antyatomy, utrzymywać je i kontrolować wystarczająco dobrze, by zbadać, jak działa na nie grawitacja – mówi Hangst. – Nasz następny krok to zmierzenie przyspieszenia najdokładniej, jak się da. Chcemy się przekonać, czy materia i antymateria faktycznie opadają dokładnie w ten sam sposób – dodaje naukowiec.

Źródła: Nature, EurekAlert, Guardian.

Nasz ekspert

Magdalena Salik

Dziennikarka naukowa i pisarka, przez wiele lat sekretarz redakcji i zastępczyni redaktora naczelnego magazynu „Focus". Wcześniej redaktorka działu naukowego „Dziennika. Polska, Europa, Świat”. Pasjami czyta i pisze, miłośniczka literatury popularnonaukowej i komputerowych gier RPG. Więcej: magdalenasalik.wordpress.com