CERN: Το πείραμα AEgIS στο σωστό δρόμο για να ελέγξει την ελεύθερη πτώση της αντιύλης

Είναι ένας θεμελιακός νόμος της φυσικής που ακόμη ο πιο έντονα φοβισμένος με την φυσική μπορεί να προσδιορίσει: η ύλη πέφτει προς τα κάτω υπό την επίδραση της βαρύτητας. Όμως τι συμβαίνει με την αντιύλη, η οποία έχει την ίδια μάζα αλλά αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο και σπιν; Σύμφωνα με την Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Einstein, η βαρύτητα θα πρέπει να πρέπει να φέρεται σε ύλη και αντιύλη πανομοιότυπα. Ωστόσο, η ανακάλυψη ακόμη και της ελαχιστότατης διαφοράς στον ρυθμό της ελεύθερης πτώσης τους, θα οδηγούσε σε μια επανάσταση στην γνώση μας. Ενώ η ελεύθερη πτώση της ύλης έχει μετρηθεί με μια ακρίβεια περίπου ένα μέρος στα 100 τρισεκατομμύρια, για την αντιύλη δεν έχουν ακόμη γίνει άμεσες μετρήσεις, λόγω της δυσκολίας να παραχθούν και να συγκρατηθούν μεγάλες ποσότητες από αυτήν.

Σε μελέτη που δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο περιοδικό Communications Physics, η συνεργασία AEgIS στον Επιβραδυντή Αντιπρωτονίων (AD) του CERN αναφέρει ένα κύριο ορόσημο στο δρόμο προς την κατεύθυνση επίτευξης αυτού του σκοπού. Χρησιμοποιώντας νέες τεχνικές που αναπτύχθηκαν το 2018, η ερευνητική ομάδα επέδειξε παλμική παραγωγή ατόμων αντι-υδρογόνου, που επιτρέπει να εντοπίζονται τα αντι-άτομα με υψηλή ακρίβεια το χρόνο κατά τον οποίο διαμορφώνονται.

«Είναι η πρώτη φορά που η παλμική διαμόρφωση του αντι-υδρογόνου καταδεικνύεται σε κλίμακες χρόνου που ανοίγουν την πόρτα για ταυτόχρονη διαχείριση, με λέιζερ ή εξωτερικά πεδία, των διαμορφωμένων ατόμων, καθώς για την δυνατότητα της εφαρμογής της ίδιας μεθόδου για παλμική διαμόρφωση άλλων αντι-πρωτονικών ατόμων», αναφέρει ο εκπρόσωπος της AEgIS, Michael Doser, του CERN. «Η γνώση της στιγμής της διαμόρφωσης του αντι-υδρογόνου είναι ένα ισχυρό εργαλείο».

Το CERN είναι το μόνο μέρος στον κόσμο όπου μπορεί να παραχθεί αντι-υδρογόνο και να μελετηθεί λεπτομερώς. Το αντι-υδρογόνο είναι ένα ιδεώδες σύστημα στο οποίο μπορεί να ελεγχθεί η (βαρυτική) ελεύθερη πτώση και άλλες βασικές ιδιότητες της αντιύλης, επειδή έχει μεγάλο χρόνο ζωής και είναι ηλεκτρικά ουδέτερο. Η πρώτη παραγωγή χαμηλής ενέργειας αντι-υδρογόνου, που αναφέρθηκε το 2002 από τις συνεργασίες ATHENA και ATRAP στον AD, ενέπλεξε τον ανασυνδυασμό «τριών σωμάτων» των νεφών αντι-πρωτονίων και ποζιτρονίων. Από τότε, η σταθερή πρόοδος από τη συνεργασία ALPHA του AD στην παραγωγή, διαχείριση και παγίδευση μεγαλύτερων από ποτέ ποσοτήτων αντι-υδρογόνου επέτρεψε να προσδιοριστούν στεροσκοπικές και άλλες ιδιότητες της αντιύλης με εξαιρετική λεπτομέρεια.

Το πείραμα AEgIS εκτελείται γύρω από δυο ισχυρά υπεραγώγιμα σωληνοειδή (Εικόνα: CERN)

Εκτιμώντας ότι ο ανασυνδυασμός τριών σωμάτων οδηγεί σε μια σχεδόν συνεχή πηγή αντι-υδρογόνου, στην οποία δε είναι δυνατόν να πιάσεις το χρόνο διαμόρφωσης του αντι-ατόμου, η συνεργασία AEgIS εφάρμοσε μια εναλλακτική διαδικασία «ανταλλαγής φορτίου» μέσω της οποίας η διαμόρφωση των ατόμων αντι-υδρογόνου πυροδοτείται με ακριβή παλμό λέιζερ. Αυτό επιτρέπει να προσδιορίζεται το χρονικό διάστημα στο πλαίσιο του οποίου παράγεται το 90% των ατόμων με μια αβεβαιότητα γύρω στα 100 ns (100 τρισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου).

Απαιτούνται περαιτέρω βήματα πριν η συνεργασία AEgIS μπορεί να μετρήσει την επίδραση της βαρύτητας στην αντιύλη, τα οποία συμπεριλαμβάνουν τη διαμόρφωση μιας παλμική δέσμης, μεγαλύτερες ποσότητες αντι-υδρογόνου και την ικανότητα να το κάνουν ψυχρότερο. «Με μόνο τρεις μήνες χρόνο δέσμης αυτή τη χρονιά και πολλές νέες συσκευές να λειτουργούν , πιο πιθανό το 2022 θα είναι η χρονιά κατά την οποία θα εγκαταστήσουμε τη διαμόρφωση παλμικής δέσμης, η οποία είναι προαπαιτούμενο για εμάς για να πραγματοποιήσουμε μια βαρυτική μέτρηση», εξηγεί ο Doser.

Ακολουθώντας το στόχο της επαλήθευσης αρχής, της επιβεβαίωσης της μέτρησης της συνεργασίας ALPHA το 2013, τα πειράματα ALPHA, AEgIS και ένα τρίτο πείραμα στον AD που ονομάζεται GBAR σχεδιάζουν να μετρήσουν την ελεύθερη πτώση των αντι-ατόμων σε επίπεδο 1% στην ερχόμενη χρονιά. Το κάθε πείραμα χρησιμοποιεί διαφορετική τεχνική και όλα – και τα τρία – έχουν πρόσφατα συνδεθεί με το νέο σύχνοτρον ELENA, το οποίο επιτρέπει την παραγωγή των χαμηλής ενέργειας αντι-πρωτονίων.

Δεδομένου ότι το περισσότερο της μάζας των αντι-πυρηνων προέρχεται από την ισχυρά δύναμη που ενώνει τα κουάρκ μαζί, οι φυσικοί το θεωρούν απίθανο ότι η αντιύλη βιώνει μια αντίθετη βαρυτική δύναμη από αυτή της ύλης. Παρ’ όλα αυτά, ακριβείς μετρήσεις της ελεύθερης πτώσης των αντι-ατόμων θα μπορούσε να αποκαλύψουν ανεπαίσθητες διαφορές που θα ανοίξουν μια σημαντική ρωγμή στην τρέχουσα γνώση μας.

Πηγή: CERN

Περισσότερα στη δημοσίευση: Pulsed production of antihydrogen. Communications Physics.