Точные измерения протонов и антипротонов доказали, что антивещество реагирует на гравитацию точно также, как и материя. Эксперимент был проведен в ЦЕРНЕ и включал улавливание антипротонов и отрицательных ионов водорода с помощью электрических и магнитных полей. Измерения также подтвердили, что антипротон соответствует аспектам стандартной модели физики элементарных частиц.
Материя состоит из барионов и лептонов, таких как протоны и электроны. Согласно стандартной модели, каждой из этих частиц соответствует античастица с одинаковой массой, но противоположным зарядом. Эти античастицы могут объединяться, образуя антивещество. Сегодня антипротоны производятся в большом количестве в ЦЕРНЕ на объекте, получившем название «Фабрика антивещества».
Вечная тайна
Один из важнейших вопросов в физике звучит так – почему Вселенная почти полностью состоит из материи и лишь из немногого количества антивещества? Ответ на него можно, вероятно, найти, изучив различия между частицей и античастицей, и в случае успеха открыть новую физику за пределами стандартной модели.
Основной эксперимент в ЦЕРНЕ измеряет магнитный момент антипротона и сравнивает его с магнитным моментом протона. Это делается с помощью ловушки Пеннинга, которая удерживает отрицательно заряженный антипротон в магнитных и электрических полях. Антипротон движется по круговой траектории внутри ловушки, и частота этого циклотронного колебания используется для вычисления отношения заряда античастицы к массе.
Эксперимент так же повторяли с отрицательно заряженным ионом водорода. Ион использовался вместо протона, поэтому два измерения можно было провести в одинаковых экспериментальных условиях – и, следовательно, сравнить с высокой точностью.
Идентичные результаты
Измерения проводились в четырех кампаниях, проведенных в период с декабря 2017 по май 2019 года. Всего было проведено 24 000 сравнений, каждое продолжительностью 260 секунд. Физики обнаружили, что отношения заряда к массе антипротона и протона были идентичны с точностью до 16 частей на триллион.
Это исследование подтвердило, что изменение заряда, четности и направления времени не влияет на физику системы. Эта фундаментальная симметрия называется CPT-инвариантностью, которая играет важную роль в стандартной модели.
Результат представляет собой наиболее точную проверку фундаментальной симметрии между материей и антиматерией, выполненную с частицами, состоящими из трех кварков и их античастиц.
Релятивистский тест
В ходе эксперимента также был проверен принцип слабой эквивалентности, который является следствием теории относительности Эйнштейна. Этот принцип гласит, что поведение объекта в гравитационном поле не зависит от его внутренних свойств, включая массу. Примером могут служить перо и гиря, которые будут падать в вакууме с одинаковой скоростью.
Орбита Земли вокруг Солнца эллиптическая, что означает, что гравитация, испытываемая в ловушке Пеннинга, немного меняется в течение года. Это изменение влияет на частоту циклотрона, и ученые обнаружили, что частоты протона и антипротона изменились одинаковым образом. Таким образом, они подтвердили, что принцип слабой эквивалентности применим как к антивеществу, так и к материи с высокой точностью.
Другими словами, античастицы так же подвержены гравитации, как и обычные частицы.
