CERN: superprecyzyjne pomiary wykazały, że antymateria i materia reagują tak samo na grawitację
W CERN zakończono najbardziej precyzyjne w historii eksperymenty, których celem było sprawdzenie czy materia i antymateria reagują tak samo na oddziaływanie grawitacji. Trwające 1,5 roku badania z wykorzystaniem protonów i antyprotonów przeprowadzili specjaliści z eksperymentu BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment).
Naukowcy zmierzyli stosunek ładunku do masy protonu i antyprotonu z dokładnością 16 części na bilion. To najbardziej precyzyjny ze wszystkich testów symetrii materii i antymaterii przeprowadzony na cząstkach złożonych z trzech kwarków, zwanych barionami, i ich antycząstkach, mówi Stefan Ulmer, rzecznik prasowy BASE.
Zgodnie z Modelem Standardowym cząstki i antycząstki mogą się od siebie różnić, jednak większość właściwości, szczególnie ich masa, powinno być identycznych. Znalezienie różnicy masy pomiędzy protonami a antyprotonami lub też różnicy w ich stosunku ładunku do masy, oznaczałoby złamanie podstawowej symetrii Modelu Standardowego, symetrii CPT. Byłby to również dowód na znalezienie fizyki wykraczającej poza opisaną Modelem Standardowym.
Istnienie takiej różnicy mogłoby doprowadzić do wyjaśnienia, dlaczego wszechświat składa się głównie z materii, mimo że podczas Wielkiego Wybuchu powinny powstać takie same ilości materii i antymaterii. Różnice pomiędzy cząstkami materii i antymaterii zgodne z Modelem Standardowym, są o rzędy wielkości zbyt małe, by wyjaśnić obserwowaną nierównowagę.
Naukowcy z BASE wykorzystali podczas swoich pomiarów antyprotony i jony wodoru, które służyły jako ujemnie naładowane przybliżenia protonów. Umieszczono je w tzw. pułapce Penninga. Badania prowadzono pomiędzy grudniem 2017 roku a majem 2019. Później przystąpiono do opracowywania wyników, a po zakończeniu prac w najnowszym numerze Nature poinformowano o rezultatach.
Po uwzględnieniu różnic pomiędzy jonami wodoru a protonami okazało się, że stosunek ładunku do masy protonu jest z dokładnością do 16 części na miliard identyczny ze stosunkiem ładunku do masy antyprotonu. To czterokrotnie bardziej dokładne obliczenia niż wszystko, co udało się wcześniej uzyskać, mówi Stefan Ulmer. Aby dokonać tak precyzyjnych pomiarów musieliśmy najpierw znacznie udoskonalić nasze narzędzia. Badania przeprowadziliśmy w czasie, gdy urządzenia wytwarzające antymaterię były nieczynne. Wykorzystaliśmy więc magazyn antyprotonów, w którym mogą być one przechowywane przez lata, dodaje.
Prowadzenie eksperymentów w pułapce Penninga w czasie, gdy urządzenia wytwarzające antymaterię nie działają, pozwala na uzyskanie idealnych warunków, gdyż nie występują zakłócające badania pola magnetyczne generowane przez „fabrykę antymaterii”.
Naukowcy z BASE nie ograniczyli się tylko do niespotykanie precyzyjnego porównania protonów i antyprotonów. Przeprowadzili też testy słabej zasady równoważności. Wynika ona z teorii względności i głosi, że zachowanie wszystkich obiektów w polu grawitacyjnym jest niezależne od ich właściwości, w tym masy. Oznacza to, że jeśli pominiemy inne siły – jak np. siłę tarcia – reakcja wszystkich obiektów na oddziaływanie grawitacji jest taka sama. Przykładem może być tutaj piórko i młotek, które w próżni powinny opadać z tym samym przyspieszeniem.
Orbita Ziemi wokół Słońca ma kształt elipsy, co oznacza, że obiekty uwięzione w pułapce Penninga będą odczuwały niewielkie zmiany oddziaływania grawitacyjnego. Okazało się, że zarówno proton i antyproton identycznie reagują na te zmiany. Uczeni z BASE potwierdzili, że słaba zasada równoważności odnosi się zarówno do materii jak i antymaterii z dokładnością około 3 części na 100.
Ulmer podkreśla, że uzyskana w tym eksperymencie precyzja jest podobna do założeń eksperymentu, w ramach których CERN chce badać antywodór podczas spadku swobodnego w polu grawitacyjnym Ziemi. BASE nie prowadziło eksperymentu ze swobodnym spadkiem antymaterii w polu grawitacyjnym Ziemi, ale nasze pomiary wpływu grawitacji na antymaterię barionową są co do założeń bardzo podobne do planowanego eksperymentu. To wskazuje, że w dopuszczonym zakresie niepewności nie znaleźliśmy żadnych anomalii w interakcjach pomiędzy antymaterią a grawitacją.
Komentarze (9)
Sławko, 7 stycznia 2022, 15:39
Hmmm, to komplikuje sprawy. Ale bardziej istotne było by zbadanie jakie jest oddziaływanie grawitacyjnie pomiędzy antycząstkami (antymateria-antymateria).
Jarek Duda, 9 stycznia 2022, 08:44
Super - jedno pytanie chyba rozwiązane, chyba mało kto podejrzewał żeby było inaczej.
Warto pamiętać że dalej eksperymentalnie nie znamy masy grawitacyjnej elektronu: z eksperymentu w latach 60-tych (Witteborn, Fairbank) wyszło że jest zerowa! ... ale okazało się że był problem eksperymentalny: w ekranującej rurce z powodów grawitacyjnych powstał gradient pola elektrycznego - dokładnie niwelując hipotetyczną masę grawitacyjną elektronu ... te problemy dalej nie zostały rozwiązane, dobre slajdy: https://indico.cern.ch/event/361413/contributions/1776296/attachments/1137816/1628821/WAG2015.pdf
Dla asymetrii materia-antymateria raczej zupełnie nie tędy droga (szukaniu fundamentalnych różnic). Znamy statystyczne łamanie symetrii np. przy powstawaniu życia: czym więcej jednego typu np. cukrów, tym łatwiej przyszłym pokoleniom tego typu - statystycznie prowadząc do kompletnej dominacji jednej opcji, pierwotnie wybranej w sposób losowo. Dla materii-antymaterii analogicznie wystarczy żeby np. w obecności elektronu/pozytronu, odrobinę łatwiej o bariogenezę protonu/antyprotonu.
l_smolinski, 9 stycznia 2022, 12:21
Jednak to różnorodność zapewnia przetrwanie a nie dominacja. Lekko mi się przykład nie spina
Ja to może się nie znam i jestem ignorantem, ale jak standardowy Polak się wypowiem. Masa to tylko konsekwencja przebywania materii w polu grawitacyjnym. Nie ma tam nic ciekawego można bez niej żyć. W sumie masa to ułuda. Jak wyznaczyć wzorzec masy w przestrzeni kosmicznej pozbawionej silnego pola grawitacyjnego? No nie da się i nie ma to większego sensu. Grawitacja to konsekwencja spinu materii (tak mi mój móżdżek ameby podpowiada). Powiem szczerze twór pt. 'masa grawitacyjna' wygląda mi na jakiś piękny twór sf z cyklu 'blastery odwróconej ciemnej materii wzbogacone 7 struną przeszłości'.
Ok, sprawdziłem 'masa grawitacyjna'. Tak jak podejrzewałem, brak zrozumienia czym jest masa wyprodukował takie wypociny jak 'jak masa grawitacyjna'. Przecież to energia cząsteczki w spoczynku. Oczywiście w spoczynku którego nie można zapewnić. Po co operować na jakiś abstrakcyjnych bytach? Cos ma energię i tyle. Cała reszta to pobożne życzenia.
Oczywiście co bystrzejsi poszli po rozum do głowy i nie ma wyznaczania wzorca masy starego bo to był absurd:
https://pl.wikipedia.org/wiki/Kilogram
Nie wiem co intersującego jest w masie,
1. jest niewłaściwie interpretowana, co prowadzi do niejasności
2. nie da się jej prawidłowo określić no bo niby jak?
Ogólnie stara definicja masy powstała chyba tylko po to, aby Pane E. mógł swoje czary odprawiać.
Jarek Duda, 9 stycznia 2022, 13:27
Różnorodność dla przetrwania to trochę później, na początku kluczowe były podstawowe materiały jak cukry, aminokwasy - których (re-)użycie wymaga kompatybilności, wręcz enancjomery mogą być toksyczne (np. https://en.wikipedia.org/wiki/Mirror_life ) - sukces życia wymagał wczesnej dominacji jednej z opcji (wybranej np. losowo).
W przypadku CPT-symetrycznego: "w obecności elektronu łatwiej o bariogenezę protonu" + "w obecności pozytronu łatwiej o bariogenezę antyprotonu" też nastąpiłoby statystyczne łamanie symetrii, m.in. dzięki wyrównywaniu przez anihilację.
Są ze 4 rodzaje masy:
1) inercyjna w F=ma,
2) energia E=mc^2
3) grawitacyjna w F~mM/r^2
4) de Brogliea - związana częstotliwość E = hbar omega ( https://en.wikipedia.org/wiki/Matter_wave )
Równoważność 1) i 2) jest w szczególnej teorii względności.
Z 3) wiemy że dla jąder (teraz też anty), dla elektronów dalej eksperymentalnie nie potwierdzone (nie wiemy).
4) potwierdzona eksperymentalnie tylko dla elektronów ( https://link.springer.com/article/10.1007/s10701-008-9225-1 ) - dalej nie wiemy (?)
l_smolinski, 9 stycznia 2022, 13:36
No, tak i 4) to jedyne słuszne podejście jak dla mnie. Reszta to jakieś kłody pod nogi rzucane. No bo przecież
1) to 4) + efekt dopplera,
2) to tak naprawdę 4),
3) to nasza lokalna interpretacja w związku z G i g o jakieś tam wartości. O dziwo to się bardzo dobrze sprawdzało, ale prawda jest zawarta w 4) jak dla mnie.
Tylko to też jest takie lokalne. Bo zależ od otoczenia. Te stwierdzenia nie będą najpodobniej prawdziwe dla KBE lub rozgrzanej plazmy. Wyróżnienie jakiegoś stanu otoczenia w laboratorium jako tego prawdziwego i naturalnego i pierwotnego dla początków wszechświata nie ma uzasadnienia. Mój mały bogobojny rozumek podpowiada mi, że wszystko jest cyklem i akurat mamy mniej anty cząsteczek.
No, ale to chyba też jest potwierdzenie i to bardziej solidnie dla elektronu:
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.100.073003
No a nagroda nobla za udowodnienie, że neutrina mają masę? Bo oscylują - mają energię. Masa to częstotliwość zgodnie z 4).
Sławko, 10 stycznia 2022, 17:07
No właśnie ja podejrzewałem.
Poza tym jeśli dobrze kojarzę, to wiele pomysłów np. na napęd nad-świetlny opierało się na tym, że antymateria mała zakrzywiać czasoprzestrzeń odwrotnie do zwykłej materii. Skoro antymateria grawitacyjnie oddziałuje tak samo jak zwykła materia, to lipa z napędu warp
Jarek Duda, 10 stycznia 2022, 17:10
Masa grawitacyjna bierze się z wykrzywienia energią - która w przeciwieństwie do ładunku ma tylko jeden znak.
GROSZ-ek, 11 stycznia 2022, 17:11
A to nie jest tak, że materia jest dyslokacją w kwantowej strukturze przestrzeni, gdzie dochodzi do lokalnego nie zbilansowania ściskającej siły osobliwości i rozrywającej siły momentu obrotowego, co do zasady pozostających w globalnej równowadze zgodnie z metryką Kerrego na pierścieniu wirującej czarnej dziury, którą jest na wszechświat?
Jajcenty, 11 stycznia 2022, 19:34
Dokładnie tak właśnie jest. W takim pierścieniu wystarczy dać krok w złą stronę i albo giniesz od dyslokacji, albo siła momentu obrotowego (?) rozrywa na cząstki o rozmiarach Plancka.
bpnmsp