Sciencemag.cz
Doporučujeme
Ne že by to někoho asi překvapilo, ale nové experimenty konečně přesvědčivě potvrdily, že ve vztahu ke gravitaci se antihmota chová jako hmota běžná. Fyzikové zkoumající (lehký) antivodík (antiproton spárovaný s pozitronem) prokázali, že gravitace ho táhne dolů a netlačí ho nahoru. Nové experimenty provedli vědci z projektu ALPHA (Antihydrogen Laser Physics Apparatus) v CERNu především na základě návrhů z fyziků z UC Berkeley.
Gravitační zrychlení antihmoty, k němuž tým dospěl, se blíží gravitačnímu zrychlení běžné hmoty na Zemi: možný rozdíl od normální gravitace se vejde do jedné směrodatné odchylky. Jak uvádějí spoluautoři Joel Fajans a Jonathan Wurtele z UC Berkeley, nějaká levitace využívající antihmotu tedy dál bude pouhá fantazie. Naopak opačný výsledek by byl v rozporu s obecnou teorií relativity (i když ta byla zformulována ještě před objevem antihmoty, nicméně považuje veškerou hmotu v tomto za ekvivalentní) a vůbec s celou základní fyzikou.
Nicméně z druhé strany, jak alespoň uvádí průvodní tisková zpráva, i myšlenka, že antihmota a hmota mohou být ovlivňovány gravitací odlišně, byla v něčem lákavá, protože by mohla vysvětlit některé záhady kosmologie. Různý vliv gravitace by například mohl vést k prostorovému oddělení hmoty a antihmoty v raném vesmíru, což by vysvětlovalo, proč ve vesmíru kolem nás vidíme jen velmi malé množství antihmoty. Většina základních fyzikálních teorií předpokládá, že během velkého třesku mělo vzniknout stejné množství hmoty a antihmoty; příslušné narušení symetrie mezi nimi objasnit neumíme.
Atomy antivodíku vypadávajících ze dna magnetické pasti přístroje ALPHA-g, umělecká představa. Jakmile atomy antivodíku uniknou, dotknou se stěn komory a anihilují. Většina anihilací probíhá pod komorou, což ukazuje, že gravitace táhne antivodík dolů. Rotující čáry magnetického pole v animaci představují neviditelný vliv magnetického pole na antivodík. Ve skutečném experimentu se orientace magnetického pole neotáčí. Kredit: Keyi „Onyx“ Li/U.S. National Science Foundation
Dosud provedené experimenty samozřejmě ukazovaly, že na antihmotu působí gravitace normálně, tyto výsledky ale údajně nebyly zcela přesvědčivé, protože gravitace je ve srovnání s ostatními základními interakcemi velice slabá. Přímo měřit gravitační působení na elektricky nabitou částici antihmoty, jako je pozitron, je krajně obtížné, protože jakýkoliv šum elektrického pole vychýlí částici mnohem více než gravitace. Elektrické pole o velikosti 1 V/m působí na antiproton (a to ten je mnohem těžší než pozitron) silou, která je asi 40bilionkrát (angl, trillion) větší než gravitační síla, kterou na něj působí planeta Země.
Spolupráce ALPHA v CERNu proto přišla s jiným přístupem, zkusit nechat „padat k Zemi“ elektricky neutrální antivodík. První výsledky byly nepřesvědčivé (že příslušná gravitační síla, tedy naměřené „g“ mezi hmotou a antihmotou se neliší víc než 100krát apod.), v roce 2016 se v CERNu proto začal připravovat nový experiment ALPHA-g, který provedl první měření v létě a na podzim roku 2022. Nynější výsledek došel k hodnotě gravitace pro antihmotu 0,75 ± 0,13 ± 0,16 g (2 různé chyby), takže interval se překryje s hodnotou 1 g pro hmotu běžnou. Autoři studie dospěli k závěru, že šance, že gravitace je pro antihmotu odpudivá, je tak malá, že nemá smysl se jí dále zabývat.
Plán/postup pro zařízení ALPHA-g, který Wurtele a Fajans pro CERN navrhli, spočíval v tom, že v magnetické láhvi o délce 25 centimetrů bude najednou uzavřeno asi 100 atomů antivodíku. ALPHA dokáže zadržet pouze atomy antivodíku, které mají teplotu nižší než půl stupně nad absolutní nulou. I při této extrémně nízké teplotě se antiatomy pohybují rychlostí v průměru 100 metrů za sekundu a stokrát za sekundu se odrážejí od silných magnetických polí na koncích láhve. (Magnetický dipólový moment atomu antivodíku je odpuzován magnetickými poli o síle 10 000 Gaussů na obou koncích láhve.) Je-li láhev orientována svisle, atomy pohybující se směrem dolů se vlivem gravitace zrychlují, zatímco atomy pohybující se směrem nahoru se zpomalují. Pokud jsou magnetická pole na obou koncích stejná, budou mít atomy pohybující se směrem dolů v průměru více energie. Je tedy pravděpodobnější, že uniknou magnetickým zrcadlem a narazí do kontejneru, kde v záblesku světla anihilují a vytvoří tři až pět pionů. Piony se detekují, aby se určilo, zda antiatom unikl směrem nahoru nebo dolů. Magnetická pole zrcadel se pak velmi pomalu snižují, takže nakonec uniknou veškeré aktiatomy. Pokud se antihmota chová jako normální hmota, mělo by více antiatomů (konkrétně asi 80 %) uniknout dolů než nahoru.
Nastavení experimentu umožňuje ignorovat skutečnost, že všechny antiatomy mají různou energii. Ty s nejnižší energií unikají jako poslední, ale stále podléhají rovnováze a účinek gravitace je pro všechny antiatomy zesílen stejně. Experimentální uspořádání také umožňuje, aby spodní magnetické zrcadlo bylo silnější nebo slabší než zrcadlo horní, což pak každému antiatomu dodá energii, která může zrušit nebo i překonat účinky gravitace, takže stejný nebo i větší počet antiatomů pak může dospět nahoru než dolů.
Umělecká představa atomů antivodíku zachycených v magnetické pasti přístroje ALPHA-g. Když se intenzita pole v horní a dolní části magnetické pasti sníží, atomy antivodíku uniknou, dotknou se stěn komory a anihilují. Většina anihilací probíhá pod komorou, což ukazuje, že gravitace táhne antivodík dolů. Kredit: Keyi „Onyx“ Li/U.S. National Science Foundation
Výsledky bylo nutné zpracovat statisticky kvůli mnoha neznámým: Vědci si nemohli být jisti, kolik atomů antivodíku zachytili, nemohli si být jisti, že detekovali každou anihilaci, nemohli si být jisti, zda neexistují neznámá magnetická pole, která by ovlivnila trajektorie antiatomů, a nemohli si být ani jisti, že magnetické pole v láhvi změřili správně/přesně.
„Kdybyste se zeptali se fyziků, všichni by řekli, že tento výsledek není ani trochu překvapivý,“ uvádí J. Wurtele. „Ale většina z nich by také dodala, že pokus musel být proveden, protože nikdy si nemůžete být jisti. Fyzika je experimentální věda. Nechcete být tak hloupí, že neprovedete experiment, který zkoumá možnou novou fyziku, jen protože jste si mysleli, že odpověď znáte. Stále by se mohlo ukázat, že je jiná.“
Jeffrey Hangst, Observation of the effect of gravity on the motion of antimatter, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06527-1. www.nature.com/articles/s41586-023-06527-1
Anna Soter, Free-falling antihydrogen reveals the effect of gravity on antimatter, Nature (2023). DOI: 10.1038/d41586-023-02930-w , www.nature.com/articles/d41586-023-02930-w
Zdroj: University of California – Berkeley / Phys.org, přeloženo/upraveno/zkráceno
Poznámka PH: Antineutron je ale také elektricky neutrální, čili vše bylo možné provést i s jedinou částicí antihmoty…? Možná prostě antivodík byl dostupnější z jiných experimentů apod.?
Pěkný argument pro to, že antihmota se v gravitačním poli chová stejně jako hmota uvedl na svém blogu Matt Strassler (https://profmattstrassler.com/):
Hmotu nukleonů jen asi z jednoho procenta tvoři valenční kvarky, vetšína jejich hmoty pochází od virtuální kvarků, antikvarků a gluonů. Pokud by se antihmota chovala v gravitačním poli jinak než hmota, prozorovali bychom v experimentech s volným pádem těles různého složení, že nepadají stejně rychle. Toto ale s velkou přesnostím nepozorujeme.
Další argument je, že existují částice, které jsou sami sobě antičásticemi (třeba foron). Pokud by gtravitace hmotu přitahovala a antihmotu odpuzovala, tak by na foton nepůsobila – a to se také s velkou jistotou nepozoruje.
Jak již uvedl Pavel, většina hmotnosti atomu vodíku není dána klidovou gravitační hmotností kvarků a elektronu, ale „povstává“ ze silné interakce (a trošku i elmg.), tedy jde svou podstatou o hmotnost setrvačnou. Proto výsledek experimentu nepřekvapuje (nakonec asi ani nikdo nerozvíjel takové teorie, které by u částic a antičástic připouštěly odlišnou setrvačnou hmotnost, resp. odlišnou celkovou gravitační hmotnost vázaných stavů), ale podle mého názoru ani nevylučuje zápornou gravitační klidovou hmotnost kvarků či leptonů, která je stále hluboko pod rozlišením experimentu.
Takže mimomainstreamové teorie o opačné klidové gravitační a setrvačné hmotnosti ELEMENTÁRNÍCH antičástic (vycházející ze „specifické“ aplikace CPT symetrie) asi zatím mrtvé nejsou.
(Co se týče kvazičástic, které jsou samy sobě antičásticí: aby odlišná gravitační klidová hmotnost vylučovala jejich existenci, musely by být tvořeny elementárními částicemi a antičásticemi s klidovou hmotností a ta by musela být významná oproti excitační energii daného kolektivního stavu, přičemž pomíjím, že i to je podle principu neurčitosti přípustné, jen to zkracuje střední dobu života.)
Kremací by takovým teoriím byl až experiment, který by takto porovnal pád mionu a antimionu (vybírám z leptonů ten s rozumnější dobou života a vyšší klidovou hmotností), pokud by to nenabourala jiná teorie vysvětlující mionové g-2 (a muselo by se přejít na elektrony a přesnost zvýšit o dva řády) nebo by se nedejbože dříve neukázalo, že leptony jsou složené částice … :-).
Jenže, vzato do důsledků, je veškerá hmotnost (aspoň fermionů) je hmotnost setrvačná. Ony i ty elektrony jsou nehmotné částice, které letí rychlostí světla, ale kvůli interakci s Higgsovým polem letí cik-cak a nám se tak jeví, jak že letí rychlostí podsvětelnou, a tedy že mají klidovou hmotnost. (Prosím, toto je velmi hrubá ilustrace toho, jak Higgsovo pole vytváří hmotnost částic a nelze ji pitvat do detailů.)
Ono podstatné je si uvědomit, že „nábojem“ gravitace není hmotnost, ale energie (a hybnost a tlak), a tu mají částice i antičástice stejnou.