研究人员使用CERN的数据直接测量反物质重力

研究人员使用CERN的数据直接测量反物质重力

抗氢原子的原子称量与普通氢的原子相同吗?他们甚至可能有“负面”体重?来自Berkeley Lab和UC Berkeley的科学家们使用了CERN的alpha实验中的数据直接测量了反物质重力。(插图由Chukman So)

在一项新的研究中,伯克利实验室和加州大学伯克利分校的物理学家们使用了来自加州大学伯克利分校阿尔法实验的数据欧洲核子研究中心来直接测量反物质的引力,提出了第一个反物质原子如何与引力相互作用的直接证据。

构成普通物质的原子会掉下来,那么反物质原子会掉下来吗?它们感受到的引力和普通原子一样吗,还是存在所谓的反引力?

美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的Joel Fajans说,这些问题长期以来一直引起物理学家的兴趣,因为“在反物质不太可能向上下落的情况下,我们必须从根本上改变我们对物理学的看法,重新思考宇宙是如何运作的。”

迄今为止,所有证据表明,重力是相同的物质和反物质是间接的,所以Fajans Jonathan Wurtele和他的同事,员工科学家与伯克利实验室的加速器和聚变研究部门和教授在加州大学伯克利分校的物理学,以及欧洲核子研究中心的国际α实验的主要成员——决定使用他们正在进行的反氢原子研究直接解决这个问题。他们意识到,如果引力与反原子的相互作用出乎意料地强烈,那么在阿尔法现有的434个反原子的数据中,这种异常就会很明显。

第一个结果,测量了反氢未知的引力质量与已知的惯性质量的比值,并没有解决问题。远非如此。如果一个反氢原子原子下落时,引力质量不超过惯性质量的110倍。如果它向上下落,它的引力质量最多是65倍。

研究结果确实表明,利用一种实验方法来测量反物质重力是可能的,这种方法在未来会有更高的精确度。他们在2013年4月30日出版的《自然通讯》杂志上描述了他们的技术

如何衡量坠落的反原子

阿尔法通过将单个反质子和单个正电子(反电子)结合在一个强磁阱中产生反氢原子。当磁铁被关闭时,反原子很快就会接触到阱壁的普通物质,并在能量的闪光中湮灭,确定它们撞击的时间和地点。原则上,如果实验者知道陷阱关闭时反原子的精确位置和速度,他们所要做的就是测量反原子掉到墙上需要多长时间。

然而,alpha的磁场不会立即关闭;在田间衰减到零之前,近30千分之一的第二次通过。同时闪烁在陷阱墙上发生闪烁,依赖于抗原子的详细但未知的初始位置,速度和能量的地方。

Wurtele说,“延迟逃避颗粒具有很低的能量,因此引力的影响更加明显。但是越来越迟到的逃脱反原子;434中只有23个逃脱后,在该领域已关闭20千分之一的秒后。“

Fajans和Wurtele与他们的阿尔法同事和伯克利实验室的同事,加州大学伯克利分校讲师Andrew Charman和博士后Andre Zhmoginov一起,将模拟结果与他们的数据进行比较,并将重力效应与磁场强度和粒子能量的效应分离开来。许多统计上的不确定性仍然存在。

“有这样的东西是反重力吗?基于到目前为止的自由落体测试,我们不能说是或否,“Fajans说。“这是第一个词,但不是最后一个词。”

阿尔法正在升级到阿尔法-2,精确测试可能在一到五年内实现。当反原子仍在陷阱中时,它们将被激光冷却以降低能量,而当陷阱关闭时,磁场将衰减得更慢,从而增加低能量事件的数量。50多年来,物理学家和非物理学家一直在思考的问题将接受直接的测试,而且可能是决定性的。

This work was supported by DOE’s Office of Science and the National Science Foundation (NSF) in the United States, and by the following institutions in other ALPHA Collaboration member countries: in Brazil, the National Council for Scientific and Technological Development (CNPq) and the Financing Program for Studies and Projects/Network of High Energy Physics (FINEP/RENAFAE); in Israel, the Israel Science Foundation (ISF); in Denmark, the Natural Science Research Council (FNU); in Sweden, the Swedish Research Council (VR); in Canada, the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC), the National Research Council (NRC)/TRIUMF, Alberta Innovates Technology Futures (AITF), and the Research Fund of Quebec-Nature and Technology (FQRNT); and in the United Kingdom, the Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), the Royal Society, and the Leverhulme Trust. The authors gratefully acknowledge the efforts of CERN’s Antiproton Decelerator team.

出版物:Alpha Collaboration&A. E.Charman,“描述和第一次应用新技术来测量抗氢原子的重力质量,”自然通信4,物品编号:1785;DOI:10.1038 / ncomms2787

图片:Chukman So

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