Per coloro che ancora tengono duro, lo sperano l’antimateria levita anziché cadere in un campo gravitazionale, come la materia normale, i risultati di un nuovo esperimento sono una dose di fredda realtà.
Gli atomi di antiidrogeno (blu) cadono all’interno di una trappola magnetica e si annichilano in un esperimento per misurare gli effetti della gravità sull’antimateria.
I fisici che studiano l’antiidrogeno – un antiprotone accoppiato con un antielettrone, o positrone – hanno dimostrato in modo conclusivo che la gravità lo tira verso il basso e non lo spinge verso l’alto.
Almeno per l’antimateria, l’antigravità non esiste.
I risultati sperimentali saranno riportati nel numero della rivista Natura da un team che rappresenta l’apparato fisico laser antiidrogeno (ALFA) collaborazione presso il Centro Europeo per la Ricerca Nucleare (CERN) a Ginevra, Svizzera. L’accelerazione gravitazionale dell’antimateria calcolata dal team è vicina a quella della materia normale sulla Terra: 1 g, o 9,8 metri al secondo quadrato (32 piedi al secondo al secondo). Più precisamente, si è scoperto che si trovava entro circa il 25% (una deviazione standard) della gravità normale.
“Sicuramente accelera verso il basso, e si trova a circa una deviazione standard dall’accelerazione al ritmo normale”, ha detto Joel Fajansun professore di fisica della UC Berkeley che, con il collega Jonathan Würtele, un teorico, propose per primo l’esperimento più di dieci anni fa. “La conclusione è che non c’è niente da mangiare 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 della scoperta dell’antimateria 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 incompatibile con il principio di equivalenza debole della teoria generale della relatività di Einstein”, ha affermato Wurtele, professore di fisica alla UC Berkeley. “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 neutrale”.
Fajans ha osservato che nessuna teoria fisica prevede effettivamente che la gravità dovrebbe essere repulsiva per l’antimateria. Alcuni fisici sostengono che, se così fosse, si potrebbe creare una macchina a moto perpetuo, cosa 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 intorno a noi. La maggior parte delle teorie prevede che uguali quantità di materia e antimateria avrebbero dovuto essere prodotte durante il Big Bang che diede vita all’universo.
La gravità è incredibilmente debole
Secondo Fajans, ci sono stati molti esperimenti, tutti indiretti, che suggeriscono fortemente che l’antimateria gravita normalmente, ma questi esperimenti sono stati relativamente sottili.
“Potreste chiedervi, perché non fare l’ovvio esperimento e far cadere un pezzo di antimateria, una sorta di esperimento della Torre pendente di Pisa? Sapete, l’esperimento che Galileo in realtà non fece – era apocrifo – in cui presumibilmente lasciò cadere una palla di piombo e una palla di legno dalla cima della torre e dimostrò che entrambe raggiunsero il suolo nello stesso momento,” ha detto .
Joel Fajans dà uno sguardo al funzionamento interno dell’esperimento ALPHA-g al CERN. Lui e Jonathan Wurtele proposero per la prima volta l’esperimento dieci anni fa per misurare le forze gravitazionali sull’antimateria, in particolare sull’antiidrogeno.
Credito immagine: Joel Fajans
“Il vero problema è che la forza gravitazionale è incredibilmente debole rispetto alle forze elettriche”, ha aggiunto Fajans. “Finora si è rivelato impossibile misurare direttamente la gravità con una misurazione a goccia con una particella carica, come un positrone nudo, perché qualsiasi campo elettrico disperso devierà la particella molto più della gravità”.
La forza gravitazionale, infatti, è la più debole delle quattro forze conosciute della natura. Domina l’evoluzione dell’universo perché tutta la materia – in teoria – ne è influenzata su immense distanze. Ma per un minuscolo frammento di antimateria, l’effetto è minuscolo. Un campo elettrico di 1 volt/metro esercita su un antiprotone una forza 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 ALPHA stava intrappolando quantità significative di atomi di antiidrogeno e nel 2011 Wurtele ha insistito con Fajans sul fatto che, poiché l’antiidrogeno è a carica neutra, non sarebbe stato influenzato dai campi elettrici e avrebbero dovuto esplorare la possibilità di una misurazione della gravità.
Fajans respinse l’idea per molti mesi, ma alla fine fu convinto a prenderla abbastanza sul serio da eseguire alcune simulazioni che suggerivano che le idee di Wurtele avessero dei meriti. Il docente Andrew Charman dell’UC Berkeley e il ricercatore post-dottorato Andrey Zhmoginov furono coinvolti e si resero conto che un’analisi retrospettiva dei dati precedenti avrebbe potuto fornire limiti molto grossolani alle interazioni gravitazionali dell’antimateria con la Terra. Con l’aiuto dei colleghi ALPHA, ciò ha portato a un articolo in cui si concludeva che l’antiidrogeno subisce non più di circa 100 volte l’accelerazione – nella direzione verso l’alto o verso il basso – dovuta alla gravità terrestre, rispetto alla materia normale.
Quell’inizio deludente ha tuttavia convinto il team ALPHA a costruire un esperimento per effettuare una misurazione più precisa. Nel 2016, con il finanziamento, negli Stati Uniti, della National Science Foundation e del Dipartimento dell’Energia, del governo canadese, del produttore di birra danese Carlsberg e di altre fonti internazionali, la collaborazione ha iniziato a costruire un nuovo esperimento, ALPHA-g, che ha condotto il suo prime misurazioni nell’estate e nell’autunno del 2022.
I risultati pubblicati in Natura si basano su simulazioni e analisi statistiche di ciò che il team ha osservato l’anno scorso e fissa la costante gravitazionale dell’antimateria a 0,75 ± 0,13 ± 0,16 g, o, se si combinano gli errori statistici e sistematici, 0,75 ± 0,29 g, che rientra nell’errore barrette da 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.
Dalila Robledo (a sinistra) è stata una dei tanti studenti universitari dell’UC Berkeley che hanno avuto l’opportunità di recarsi a Ginevra per costruire l’esperimento ALPHA-g. Qui Robledo aiuta a inserire la trappola magnetica che tratterrà l’antiidrogeno. Credito immagine: Joel Fajans/UC Berkeley
Almeno una dozzina di studenti universitari di fisica dell’UC Berkeley hanno partecipato all’assemblaggio e allo svolgimento dell’esperimento, hanno detto Fajans e Wurtele, molti dei quali 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.”
Un equilibrio
Il piano per ALPHA-g proposto da Wurtele e Fajans era di confinare circa 100 atomi di antiidrogeno alla volta in una bottiglia magnetica lunga 25 centimetri. L’ALFA può confinare solo gli atomi di antiidrogeno 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 al secondo sui forti campi magnetici alle estremità della bottiglia. (I campi magnetici compressi di 10.000 Gauss respingono il momento di dipolo magnetico di un atomo di antiidrogeno a ciascuna 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 equilibrati, gli atomi che si muovono verso il basso avranno, in media, più energia. Pertanto, avranno maggiori probabilità di fuggire attraverso lo specchio magnetico e colpire il contenitore, annichilandosi in un lampo di luce e producendo da tre a cinque pioni. I pioni vengono rilevati per determinare se l’antiatomo è fuggito 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, proprio come una normale bilancia rende visibile la differenza tra 1 chilogrammo e 1.001 chilogrammi.
I campi magnetici dello specchio vengono quindi ridotti molto lentamente, in modo che tutti gli atomi alla fine sfuggano. Se l’antimateria si comportasse come la materia normale, più antiatomi – circa l’80% – dovrebbero fuoriuscire dalla parte inferiore rispetto alla parte superiore.
“Il bilanciamento ci permette di ignorare il fatto che gli antiatomi hanno tutti energie diverse”, ha detto Fajans. “Quelli con l’energia più bassa scappano per ultimi, ma sono comunque soggetti all’equilibrio, e l’effetto della gravità è potenziato per tutti gli antiatomi.”
Danielle Hodgkinson, ricercatrice post-dottorato dell’UC Berkeley, a destra, mentre esegue l’esperimento ALPHA-g dalla sala di controllo del CERN in Svizzera. Credito immagine: Joel Fajans/UC Berkeley
La configurazione sperimentale consente inoltre ad ALPHA di rendere lo specchio magnetico inferiore più forte o più debole dello specchio superiore, dando a ciascun antiatomo un aumento 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 al fondo.
“Questo ci fornisce una potente manopola sperimentale che ci permette di credere che l’esperimento abbia effettivamente funzionato perché possiamo dimostrare a noi stessi che possiamo controllare in modo prevedibile l’esperimento”, ha detto Fajans.
I risultati dovevano essere trattati statisticamente a causa delle molte incognite: i ricercatori non potevano essere sicuri di quanti atomi di antiidrogeno avevano intrappolato, non potevano essere sicuri di aver rilevato ogni distruzione, non potevano essere sicuri che non ce ne fossero alcuni campi magnetici sconosciuti che avrebbero influenzato le traiettorie degli antiatomi e non potevano essere sicuri di aver misurato correttamente il campo magnetico nella bottiglia.
“Il codice del computer di ALPHA che simula l’esperimento potrebbe essere leggermente sbagliato perché non conosciamo le precise condizioni iniziali degli atomi di antiidrogeno, potrebbe essere sbagliato perché i nostri campi magnetici non sono corretti e potrebbe essere sbagliato per qualche sconosciuto,” Wurtele disse. “Tuttavia, il controllo fornito regolando la manopola del bilanciamento ci consente di esplorare l’entità di eventuali discrepanze, dandoci la certezza che il nostro risultato è corretto.”
I fisici dell’UC Berkeley sperano che i prossimi miglioramenti ad ALPHA-g e ai codici informatici miglioreranno la sensibilità dello strumento di un fattore pari a 100.
“Questo risultato è uno sforzo di gruppo, anche se la genesi di questo progetto è avvenuta a Berkeley”, ha detto Fajans, “ALPHA è stato progettato per la spettroscopia dell’antiidrogeno, non per le misurazioni gravitazionali di questi antiatomi. La mia proposta e quella di Jonathan erano completamente ortogonali a tutti i piani per ALPHA, e la ricerca probabilmente non sarebbe avvenuta senza il nostro lavoro e anni di sviluppo solitario.”
E anche se il risultato nullo potrebbe essere liquidato come poco entusiasmante, l’esperimento è anche un importante test della relatività generale, che fino ad oggi ha superato tutti gli altri test.
“Se si cammina per i corridoi di questo dipartimento e si chiede ai fisici, tutti direbbero che questo risultato non è per niente sorprendente. Questa è la realtà”, ha detto Wurtele. “Ma la maggior parte di loro dirà anche che l’esperimento doveva essere fatto perché non si può mai esserne sicuri. La fisica è una scienza sperimentale. Non vuoi essere così stupido da non fare un esperimento che esplora forse una nuova fisica perché pensavi di conoscere la risposta, e poi finisce per essere qualcosa di diverso.
Fonte: UC Berkeley
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
