L’antimateria abbraccia la Terra, cadendo verso il basso come la materia normale

 

Un esperimento al CERN elimina la possibilità che l’antimateria venga respinta dalla gravità. I fisici che studiano l’anti-idrogeno – un anti-protone accoppiato con un antielettrone, o positrone – hanno dimostrato in modo conclusivo che la gravità lo spinge verso il basso e non verso l’alto: almeno per l’antimateria, l’antigravità non esiste.

 

 

I risultati di un nuovo esperimento mostrano che l’antimateria levita piuttosto che cadere in un campo gravitazionale, esattamente come la materia normale.

I fisici che studiano l’anti-idrogeno – un anti-protone accoppiato con un antielettrone, o positrone – hanno dimostrato in modo conclusivo che la gravità lo spinge verso il basso e non verso l’alto: almeno per l’antimateria, l’antigravità non esiste.

I risultati sperimentali sono riportati nel numero del 28 settembre della rivista Nature da un team che rappresenta la collaborazione Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA) presso il Centro europeo per la ricerca nucleare (CERN) di Ginevra, in Svizzera.

L’accelerazione gravitazionale dell’antimateria che il team elabora è vicina a quella della materia normale sulla Terra: 1 g, o 9,8 metri al secondo per secondo.

“Sicuramente accelera verso il basso, ed è all’interno di circa una deviazione standard di accelerazione alla velocità normale”, ha detto Joel Fajans, professore di fisica della UC Berkeley che, con il collega Jonathan Wurtele, un teorico, ha proposto per la prima volta l’esperimento più di un decennio fa. “La linea di fondo è che non c’è pranzo gratis e non saremo in grado di levitare usando l’antimateria”.

Il risultato non sorprenderà la maggior parte dei fisici. La teoria della relatività generale di Albert Einstein, sebbene concepita prima che l’antimateria fosse scoperta nel 1932, tratta tutta la materia in modo identico, implicando che l’antimateria e la materia rispondono allo stesso modo alle forze gravitazionali.

Tutta la materia normale, come protoni, neutroni ed elettroni, ha antiparticelle che portano la carica elettrica opposta e, quando incontrano la loro controparte di materia normale, si annichilano completamente.

“Il risultato opposto avrebbe avuto grandi implicazioni; sarebbe incoerente con il debole principio di equivalenza della teoria della relatività generale di Einstein”, ha detto Wurtele, professore di fisica della UC Berkeley.

“In questo esperimento è la prima volta che viene effettuata una misurazione diretta della forza di gravità sull’antimateria neutra. È un altro passo nello sviluppo del campo della scienza dell’antimateria”.

Fajans ha osservato che nessuna teoria fisica prevede effettivamente che la gravità dovrebbe essere repulsiva per l’antimateria. Alcuni fisici sostengono che, se lo fosse, si potrebbe creare una macchina a moto perpetuo, il che è teoricamente impossibile.

Tuttavia, l’idea che l’antimateria e la materia potessero essere influenzate in modo diverso dalla gravità era allettante perché poteva potenzialmente spiegare alcuni enigmi cosmici.

Ad esempio, potrebbe aver portato alla separazione spaziale di materia e antimateria nell’universo primordiale, spiegando perché vediamo solo una piccola quantità di antimateria nell’universo che ci circonda.

La maggior parte delle teorie prevede che quantità uguali di materia e antimateria dovrebbero essere state prodotte durante il Big Bang che ha dato vita all’universo.

“Ci si potrebbe chiedere, perché non fare l’esperimento ovvio e far cadere un pezzo di antimateria, una sorta di esperimento simile a quello eseguito da Galileo dalla torre di Pisa? Dove ha lasciato cadere una palla di piombo e una palla di legno dalla cima della torre e ha dimostrato che entrambi hanno raggiunto il suolo allo stesso tempo “, ha detto.

“Il vero problema è che la forza gravitazionale è incredibilmente debole rispetto alle forze elettriche”, ha aggiunto Fajans. “Finora, si è dimostrato impossibile misurare direttamente la gravità con una misurazione con una particella carica, come un positrone, perché qualsiasi campo elettrico vagante devierà la particella molto più della gravità”.

In effetti, la forza gravitazionale è la più debole delle quattro forze conosciute della natura. Domina l’evoluzione dell’universo perché tutta la materia – teoricamente – è influenzata da essa su immense distanze.

Ma per un piccolo pezzo di antimateria, l’effetto è minuscolo. Un campo elettrico di 1 volt / metro esercita una forza su un antiprotone che è circa 40 trilioni di volte più grande della forza di gravità esercitata su di esso dal pianeta Terra.

La collaborazione ALPHA al CERN ha suggerito a Wurtele un nuovo approccio. Nel 2010, il team di ALPHA stava intrappolando quantità significative di atomi di anti-idrogeno, e nel 2011, Wurtele ha insistito con Fajans che, poiché l’anti-idrogeno è neutro di carica, non sarebbe stato influenzato dai campi elettrici e avrebbero dovuto esplorare la possibilità di una misurazione della gravità.

Fajans ha respinto l’idea per molti mesi, ma alla fine è stato convinto a prenderla abbastanza sul serio da eseguire alcune simulazioni che suggerivano che le idee di Wurtele avevano un fondamento.

Nel 2016, con il finanziamento, negli Stati Uniti, della National Science Foundation e del Dipartimento dell’Energia, del governo canadese, del birraio danese Carlsberg e di altre fonti internazionali, la collaborazione ha iniziato a costruire un nuovo esperimento, ALPHA-g, che ha condotto le sue prime misurazioni nell’estate e nell’autunno del 2022.

I risultati pubblicati su Nature si basano su simulazioni e un’analisi statistica di ciò che il team ha osservato l’anno scorso e mette la costante gravitazionale per l’antimateria a 0,75 ± 0,13 ± 0,16 g, o, se si combinano gli errori statistici e sistematici, 0,75 ± 0,29 g, che è entro barre di errore di 1 g. Il team ha concluso che la possibilità che la gravità sia repulsiva per l’antimateria è così piccola da essere priva di significato.

Almeno una dozzina di laureati in fisica della UC Berkeley hanno partecipato all’assemblaggio e alla gestione dell’esperimento, hanno detto Fajans e Wurtele, molti di loro provenienti da gruppi non ben rappresentati nel campo della fisica.

“È stata una grande opportunità per molti studenti universitari di Berkeley”, ha detto Fajans. “Sono esperimenti divertenti e i nostri studenti imparano molto”.

Il piano per ALPHA-g proposto da Wurtele e Fajans era quello di confinare circa 100 atomi di anti-idrogeno alla volta in una bottiglia magnetica lunga 25 centimetri.

ALPHA può confinare solo atomi di anti-idrogeno che hanno una temperatura inferiore a mezzo grado sopra lo zero assoluto, o 0,5 Kelvin.

Anche a questa temperatura estremamente bassa, gli antiatomi si muovono a velocità medie di 100 metri al secondo, rimbalzando centinaia di volte a causa dei forti campi magnetici alle estremità della bottiglia. 

Se la bottiglia è orientata verticalmente, gli atomi che si muovono verso il basso accelereranno a causa della gravità, mentre quelli che si muovono verso l’alto decelereranno.

Quando i campi magnetici a ciascuna estremità sono identici, cioè bilanciati, quegli atomi che si muovono verso il basso avranno, in media, più energia.

Pertanto, sarà più probabile che sfuggano attraverso lo specchio magnetico e colpiscano il contenitore, annientandosi in un lampo di luce e producendo da tre a cinque pioni. I pioni vengono rilevati per determinare se l’antiatomo è sfuggito verso l’alto o verso il basso.

L’esperimento è come una bilancia standard utilizzata per confrontare pesi molto simili, ha detto Fajans. La bilancia magnetica rende visibile la forza gravitazionale relativamente piccola in presenza di forze magnetiche molto più grandi, più o meno allo stesso modo in cui una bilancia normale rende visibile la differenza tra 1 chilogrammo e 1,001 chilogrammi.

I campi magnetici dello specchio vengono quindi abbassati molto lentamente, in modo che tutti gli atomi alla fine sfuggano. Se l’antimateria si comporta come la materia normale, più antiatomi – circa l’80% di essi – dovrebbero fuoriuscire dal basso rispetto alla cima.

La configurazione sperimentale consente inoltre ad ALPHA di rendere lo specchio magnetico inferiore più forte o più debole dello specchio superiore, il che conferisce a ciascun antiatomo una spinta di energia che può annullare o superare gli effetti della gravità, consentendo a un numero uguale o maggiore di antiatomi di uscire dalla parte superiore rispetto alla parte inferiore.

I risultati dovevano essere trattati statisticamente a causa delle molte incognite: i ricercatori non potevano essere certi di quanti atomi di anti-idrogeno avessero intrappolato, non potevano essere sicuri di aver rilevato ogni annichilazione, non potevano essere sicuri che non ci fossero alcuni campi magnetici sconosciuti che avrebbero influenzato le traiettorie dell’antiatomo e non potevano essere sicuri di aver misurato correttamente il campo magnetico nella bottiglia.

I fisici dell’Università di Berkeley sperano che i prossimi miglioramenti ad ALPHA-g e ai codici informatici miglioreranno la sensibilità dello strumento di un fattore 100.

 

Immagine: U.S. National Science Foundation