天天看点

氢元素的反物质并没有反重力作用

作者:科技良言
氢元素的反物质并没有反重力作用

不少人认为,宇宙中可能包含物质和反物质,反电子、反粒子已经被实验证实存在了。欧洲科学家最近对反氢元素粒子特性进行了实验。颠覆了反物质受到反重力的影响假设。

近日,顶级期刊《自然》报道了一项新的实验表明,同普通物质一样,反物质也会因重力而下坠。

氢元素的反物质并没有反重力作用

爱因斯坦1915年的广义相对论仍然是对引力最成功的描述。从1919年的日食到引力波的观测,该理论通过了多次关键的实验测试。然而,暗物质和暗能量的概念演变表明,关于宇宙的引力内容还有很多需要了解。广义相对论中的奇异性和量子引力理论的缺失表明我们的图像是不完整的。因此,谨慎地探索奇异物理系统中的引力。1915年,爱因斯坦对反物质一无所知。狄拉克理论出现在1928年;1932年观测到正电子。

从那以后,人们对引力和反物质进行了大量猜测。理论共识是,任何实验室质量都必须被地球吸引,尽管一些作者考虑了反物质被物质排斥的宇宙学后果。在广义相对论中,弱等效原理(WEP)要求所有质量对引力有相同的反应,独立于其内部结构。在这里,我们证明从ALPHA-g装置的磁约束中释放的反氢原子,其行为与地球引力相一致。在这种情况下,排斥的“反引力”被排除。这个实验为精确研究反原子和地球之间的引力加速度大小铺平了道路,以测试WEP。

氢元素的反物质并没有反重力作用

实验装置及测量结果

根据等效原理,无论是什么组成的,所有物体在引力场中都会以相同的速度下落。这个原理是伽利略通过让不同材料的球滚下小坡道来证明的。爱因斯坦用这个原理推断出,大质量物体扭曲了空间和时间,这就是广义相对论的基础。但是,至今还没有人测试过等效原理是否适用于物质和反物质。

为了找到答案,科学家在欧洲核子研究中心的反氢激光物理装置(ALPHA)上进行了升级版的伽利略跌落实验。首先,团队用电磁场抓住粒子碰撞中产生的反质子和反电子,然后引诱这些粒子形成反氢原子,并用磁阱捕获它们。随后,他们释放反氢原子,看看它们是会下落还是上升。

实验的负责人Jeffrey Hangst说,实验的细节其实很复杂。反氢原子的温度比较高,移动速度快,很容易从圆柱形陷阱的顶部和底部飞出,导致我们难以辨别重力的影响。而且,即使是微小的杂散磁场,也可能将不成比例的反氢原子发送到陷阱的顶部,产生假的反重力信号。

为了控制这种影响,ALPHA团队利用捕获反氢原子的磁场,在释放它们时轻微地向上或向下推。这项技术“就像给了我们一个旋钮,让我们可以在同一方向或逆重力方向上施加额外的力,并控制结果”。在多次实验中,研究人员改变了额外作用力的方向和强度,并将从陷阱底部掉出的原子比例与模拟结果进行了比较。

研究人员在《自然》杂志上报告说,这些数据与反氢原子经历正常重力的模拟结果更加吻合。从数量上讲,该实验表明,反物质受到的引力是普通物质的75%,误差为20%——这两者在统计上是一致的。Hangst说,99.9%的物理学家都能预测到这个结果。

继续阅读