Istraživači Evropske organizacije za nuklearno istraživanje (CERN) u Švajcarskoj potvrdili su, sa najvećim stepenom sigurnosti do sada, da je fizičar Albert Ajnštajn bio u pravu kada je u svojoj Opštoj teoriji relativiteta pre više od sto godina tvrdio da bi antimaterija trebalo da se ponaša kao materija i da pada nadole.
Tokom Velikog praska, materija i antimaterija je trebalo da se kombinuju i ponište jedno drugo, ne ostavljajući ništa osim svetlosti, a zašto nisu, jedna je od velikih misterija fizike i otkrivanje razlika između materije i antimaterije je ključ za njeno rešavanje. Oba su stvorena u jednakim količinama u Velikom prasku koji je formirao naš univerzum.
Iako je materija svuda, sada je teško pronaći njenu suprotnost, međutim, najnovija studija je otkrila da materija i antimaterija reaguju na gravitaciju na isti način. Posmatranje ovog jednostavnog fenomena izmicalo je fizičarima decenijama, a sada je potvrđeno da, kao i sve ostalo što doživljava gravitaciju, antimaterija pada nadole, navodi se u studiji objavljenoj u časopisu “Nature”.
“Pošto je gravitacija mnogo slabija od drugih sveprisutnih sila kao što su elektrostatičko privlačenje ili magnetizam, odvajanje od drugih efekata u laboratoriji je delikatna stvar”, kaže Džefri Hangst, koji vodi eksperiment ALPHA-g u CERN-u. Prema njegovim rečima, gravitacija je veoma slaba da “zaista morate biti oprezni“. Da bi testirali ovaj princip, Hangst i njegovi saradnici su osmislili eksperiment koji bi pokazao šta se događa kada se ispusti neutralni atom antivodonika.
“Skoro je nemoguće uraditi eksperiment sa naelektrisanom česticom, tako da je antivodonik savršen kandidat“, kaže Hangst. Čestice antimaterije se rutinski stvaraju u laboratorijama, pa je, na primer, većina čestica proizvedenih sudarima čestica visoke energije je napravljena u parovima – jedna čestica materije i njena antičestica.
Ali teško je naterati antičestice da se kombinuju u antiatome jer su čestice antimaterije obično veoma kratkog veka. Kada se antičestica sretne sa česticom, one prestaju da postoje i ponovo se pretvaraju u energiju, u procesu koji se zove anihilacija. U svetu napravljenom prvenstveno od materije, to otežava česticama antimaterije da pronađu jedna drugu. CERN je trenutno jedino mesto na svetu gde se može napraviti antivodonik. Ima akcelerator koji stvara antiprotone od sudara protona velikom brzinom i ‘usporivač’ koji ih usporava dovoljno da se održe za dalju manipulaciju.
U eksperimentu ALFA-g kombinuju se antiprotoni sa pozitronima, sakupljenim iz radioaktivnog izvora. Nakon što su napravili tanak gas od hiljada atoma antivodonika, istraživači su ga gurnuli u vertikalnu osovinu visoku 3 metra okruženu superprovodnim elektromagnetnim kalemovima. Oni mogu stvoriti neku vrstu magnetne ‘limene konzerve’ da bi sprečili da antimaterija dođe u kontakt sa materijom i da se uništi. Zatim su istraživači pustili neke od toplijih antiatoma da pobegnu, tako da je gas u konzervi postao hladniji, na samo 0,5 °C iznad apsolutne nule – a preostali antiatomi su se polako kretali. Istraživači su zatim postepeno oslabili magnetna polja na vrhu i dnu i detektovali antiatome koristeći dva senzora.
Prilikom otvaranja bilo koje posude za gas, sadržaj ima tendenciju da se širi u svim pravcima, ali u ovom slučaju male brzine antiatoma su značile da je gravitacija imala vidljiv efekat: većina njih je izašla iz donjeg otvora, a samo jedna četvrtina iz gornjeg. Da bi se uverili da je ova asimetrija posledica gravitacije, istraživači su morali da kontrolišu jačinu magnetnih polja sa velikom preciznošću.
Rezultati su bili u skladu sa antiatomima na koje deluje ista sila gravitacije kao i na atome vodonika. Granice greške su i dalje prilično velike, ali eksperiment može barem definitivno isključiti mogućnost da antivodonik pada naviše. Slični eksperimenti će imati za cilj da ispitaju da li gravitacija deluje sa istom snagom na antimateriju kao i na materiju. I najmanje neslaganje moglo bi da pomogne u rešavanju jednog od najvećih problema u fizici – kako je Univerzum nastao skoro isključivo od materije, iako su jednake količine materije i antimaterije trebalo da nastanu iz Velikog praska.
“Razlika u gravitacionom ponašanju materije i antimaterije imala bi ogromne implikacije na fiziku, ali direktno posmatranje bio je san već decenijama”, kaže Kliford Vil, teoretičar koji se specijalizovao za gravitaciju na Univerzitetu Florida u Gejnsvilu. U svetu antimaterije, atomska jezgra su napravljena od negativno naelektrisanih antiprotona, oko kojih kruže pozitivno naelektrisani antielektroni ili pozitroni.
Međutim, prema standardnom modelu fizike čestica, suprotna naelektrisanja bi trebalo da budu uglavnom jedina razlika: čestice i antičestice treba da imaju skoro sva ista svojstva. Konkretno, eksperimenti su potvrdili da pozitroni i antiprotoni imaju iste mase kao i njihovi pandani materije, u granicama malih eksperimentalnih grešaka.
Prema Ajnštajnovoj opštoj teoriji relativiteta, svi objekti iste mase treba da imaju istu težinu, odnosno, trebalo bi da imaju potpuno isto gravitaciono ubrzanje. Hangstov tim je 2010. godine bio prvi koji je uspeo da uhvati antivodonik na duže vreme, a počevši od 2016. mogli su da izmere kako antiatomi apsorbuju svetlost.
“Ali eksperiment sa gravitacijom zahtevao je novi nivo sofisticiranosti. Ovo je daleko najteža stvar koju smo uradili”, kaže on. Ruđero Karavita, fizičar sa Italijanskog Nacionalnog instituta za nuklearnu fiziku u Trentu, ističe da niko ne bi očekivao da će antimaterija ispasti jer su antiprotoni napravljeni od antikvarkova koji oni čine samo manje od 1 odsto mase antiprotona, dok je ostatak energija koja ih drži zajedno.
“Očekivali smo da bilo koje odstupanje, ako postoji, ne može biti veće od 1 odsto. Odlazak dalje od toga bi porušio ne samo teoriju gravitacije, već i standardni model fizike čestica. Ipak, ALPHA-g rezultat je bio prekretnica“, dodao je on. Karavita vodi treći eksperiment CERN-a, nazvan AEgIS, koji će pokušati da izmeri gravitacionu silu na snopu atoma antivodonika u odsustvu bilo kakvog magnetnog polja. Sam ALPHA-g ima za cilj preciznost od 1 odsto puštajući atome antivodonika da udaraju gore-dole i formiraju kvantnu superpoziciju sa samim sobom. Ali samo zato što antimaterija ne pada, to ne znači da pada potpuno istom brzinom kao materija. Za naredne korake u istraživanju, tim nadograđuje svoj eksperiment kako bi ga učinio osetljivijim, da vidi da li postoji mala razlika u brzini pada antimaterije, navodi se u studiji.
