반물질은 중력의 끌어당김을 느끼고, 우주의 가장 큰 미스터리 중 하나는 아직 풀리지 않고 있습니다.

물리학의 가장 큰 미스터리 중 하나는 풀리지 않은 채 남아 있습니다. 과학자들은 반물질이 일반 물질과 마찬가지로 중력에 의해 떨어진다고 보고합니다.

지구 중력 하에서 반물질의 거동을 최초로 직접 측정하는 과정에서 CERN 반물질 공장의 물리학자들은 튜브에 반물질 버전의 수소 원자를 만들고 모아서 떨어뜨렸습니다.

그들은 평범하고 오래된 일반 수소 원자와 매우 유사하다는 것이 밝혀졌습니다.

반입자는 일반 입자 “쌍둥이”와 거의 동일합니다. 질량은 같지만 전하가 반대입니다.

예를 들어, 전자는 음전하를 띠고 양전자라고 불리는 반물질 형제는 양전하를 띠고 있습니다.

ALPHA-g라고 불리는 CERN 실험은 물리학자들이 반물질의 특성을 조사하고 일반 물질과의 편차를 찾는 여러 방법 중 하나입니다.

이유? 사라진 수많은 반물질의 운명을 알아내기 위해.

반물질이 누락된 이유
우리, 도시, 행성, 별을 구성하는 관측 가능한 우주의 거의 모든 물질은 전자, 양성자, 중성자 및 그보다 더 모호한 동족으로 만들어진 평범한 물질입니다.

입자 물리학의 표준 모델은 우주를 구성하는 모든 입자와 상호 작용을 설명합니다.

그리고 이에 따르면 새로운 연구에 참여하지 않은 커틴 대학의 이론물리학자 이고르 브레이는 빅뱅 동안 물질과 반물질의 동일한 양이 만들어졌어야 한다고 말했습니다.

“그러나 우리가 가지고 있는 반물질은 아주 조금이고 훨씬 더 일반적인 물질도 있습니다.”

그러나 수년간 관측 가능한 우주를 스캔했음에도 불구하고 우리는 거기에 엄청난 양의 반물질이 존재한다는 어떤 징후도 전혀 볼 수 없다고 브레이 교수는 말했습니다.

“이것은 물질과 반물질의 양이 왜 다른지에 대한 거대한 수수께끼입니다.”

이 “잃어버린 반물질” 미스터리에 대한 한 가지 가능한 해결책은 중력이 실제로 반물질을 밀어낸다는 것입니다. 뉴턴의 사과가 나무에서 땅으로 떨어지면, 반대사과는 하늘로 날아오를 것이다.

그러한 “척력적인 반중력”이 사실이라면, 일부 물리학자들은 빅뱅에서 만들어진 반물질이 반입자로 채워진 반우주로 추진되어 우리가 관찰하는 우주에서는 사라졌을 수도 있다고 이론화합니다.

그러나 네이처(Nature) 저널에 보고된 반물질과 일반 물질이 중력 하에서 동일하게 작용한다는 새로운 발견은 이러한 잠재적인 설명을 거의 배제한다고 브레이(Bray) 교수는 말했습니다.

그리고 반물질의 희소성에 대한 미스터리가 존재합니다.

반물질 조련사
아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면, 반물질은 중력을 포함하여 일반 물질과 동일한 힘을 받아야 합니다.

하지만 지금까지 그것이 사실인지 확실히 아는 사람은 아무도 없었습니다. CERN의 몇몇 그룹은 이를 알아내기 위해 수년을 보냈습니다.

새로운 발견의 배후에 있는 반수소 레이저 물리학 장치(ALPHA) 팀은 중력 실험을 시작한 것이 아닙니다.

ALPHA 협력의 실험 물리학자인 Jeffrey Hangst는 “그들은 원래 수소의 반물질 대응 물질인 반수소의 내부 구조를 연구하기 시작했다”고 말했습니다.

“우리가 반수소를 포획하고, 축적하고, 조작하는 데 능숙하다는 것을 깨닫고 나서 중력 기계를 만들어야 한다고 생각했습니다.

“그것은 일종의 나중에 생각한 것이었습니다.”

양전자에 의해 궤도를 도는 음전하 반양성자로 구성된 항수소는 전체 전하를 운반하지 않으므로 중력 실험에 이상적입니다.

이는 하전 입자가 지구에서 생성된 자기장의 영향을 받아 중력 효과를 무시할 수 있기 때문입니다.

Hangst 교수와 그의 승무원은 파이프 모양의 ALPHA-g 장치 내부의 “함정”에 반수소 원자 구름을 만들었습니다.

자기장은 트랩 내부에 반수소 원자를 붙잡아 측면과 충돌하여 소멸되는 것을 막았습니다.

트랩의 상단과 하단에 있는 자기장은 천천히 제거되어 반수소 구름이 방출되었습니다.

반원자가 바닥을 통해 떨어지거나 위쪽으로 흔들리면서 일반 물질에 부딪혀 소멸되고 민감한 감지기에 의해 계산되는 감마선의 섬광을 생성합니다.

반수소 원자의 약 80%가 아래로 떨어졌는데, 이는 같은 상황에서 일반 수소와 동일합니다.

연구팀은 또한 중력에 대응하거나 강화하기 위해 트랩 양쪽 끝의 자기장 강도를 조정한 다음 반수소 원자가 무엇을 하는지 관찰했습니다.

모든 반복에서 반수소 원자는 일반적인 수소처럼 행동했습니다.

이것이 ‘반 중력’의 종말입니까?
항스트(Hangst) 교수는 이번 연구에서 반물질과 물질이 중력 하에서 동일하게 작용한다는 점을 지적했지만 “여전히 흔들림의 여지가 있다”고 말했습니다.

반수소의 거동은 시뮬레이션과 매우 밀접하게 일치했지만 “개선의 여지가 많습니다”.

대부분의 반수소 원자는 정상 중력 하에서 트랩에서 떨어지지만, 5개 중 1개는 트랩에서 빠져나오게 됩니다.

피.

그 이유는 트랩 내부의 반수소 원자가 고정되어 있지 않았기 때문입니다. 그들은 약간 이리저리 흔들렸습니다. 함정의 자석 클러치에서 탈출하기에는 충분하지 않았지만 풀었을 때 흔들리는 정도였습니다.

Hangst 교수는 내년부터 팀이 반수소 원자를 냉각하고 흔들림을 멈추거나 적어도 줄이기 위해 레이저를 사용할 계획이라고 말했습니다.

“추울수록 더 많은 것들이 액체처럼 바닥으로 빠져나가야 합니다”라고 그는 말했습니다.

이를 통해 그와 그의 동료들은 훨씬 더 정확하고 민감한 측정을 할 수 있으며 사라진 반물질의 미스터리를 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다.

아니면 그렇지 않더라도, 어떤 경우이든 마찬가지입니다.

Hangst 교수는 “내 농담은 그것이 무너지면 노벨상을 받을 수 있다는 것입니다. 그것이 무너지면 사람들은 ‘내가 그렇게 말했잖아요’라고 말할 것입니다”라고 말했습니다.

“그러나 우리는 이것에 대해 수년 동안 이야기해왔고 무슨 일이 일어날지 추측해 왔습니다.

“실제로 관찰하기 전까지는 물리학을 전혀 알 수 없습니다.”

받은편지함 속 과학
ABC 전체에서 최신 과학 이야기를 모두 받아보세요.
귀하의 정보는 ABC 개인정보 수집 정책에 따라 처리됩니다.
이 사이트는 reCAPTCHA로 보호되며 Google 개인정보 보호정책 및 서비스 약관이 적용됩니다.

이메일 주소
ozilbo07@gmail.com
구독하다
11시간 전에 게시됨

Antimatter feels gravity’s pull, and one of biggest mysteries of the Universe stays unsolved

ABC Science

By science reporter Belinda Smith

Posted 11h ago11 hours ago

An illustration of a particle and an antiparticle in purple and orange — Physicists can now all but rule out “repulsive antigravity” as the reason the observable Universe is mostly made of ordinary matter.(Getty Images: dani3315)

Help keep family & friends informed by sharing this article

abc.net.au/news/antimatter-gravity-graviational-repulsion-experiment-physics/102900592

Link copiedCOPY LINKSHARE

One of physics’ greatest mysteries remains unsolved, with scientists reporting that antimatter falls under gravity — just like ordinary matter.

Key points:

Physicists have been trying to understand why there is much more matter than antimatter in the Universe
Some people thought antimatter might be repulsed by gravity, driving it away from the known Universe
A new study shows this is not the case, and that antimatter behaves the same as ordinary matter under gravity

In the first direct measurement of antimatter’s behaviour under Earth’s gravity, physicists at CERN’s Antimatter Factory made, corralled and dropped the antimatter version of hydrogen atoms in a tube.

Turns out they fall a lot like plain old ordinary hydrogen atoms.

Antiparticles are almost identical to their ordinary particle “twins”. They have the same mass, but carry the opposite charge.

For instance, an electron has a negative charge, while its antimatter sibling — called a positron — is positively charged.

The CERN experiment, called ALPHA-g, is one of many ways physicists are probing antimatter’s properties and searching for any deviations from ordinary matter.

The reason? To discover the fate of a whole lot of missing antimatter.

Why missing antimatter matters

Pretty much all the matter in the observable universe — the stuff that makes us, cities, planets, stars — is ordinary matter, made from electrons, protons, neutrons and their more obscure kin.

The Standard Model of particle physics outlines all these particles and their interactions that make up the Universe.

And according to this, equal amounts of matter and antimatter should have been made during the Big Bang, Curtin University theoretical physicist Igor Bray, who was not involved in the new study, said.

“But we have only a little bit of antimatter, and many, many orders of magnitude more ordinary matter.”

The lab where scientists make antimatter

Unravelling the secrets of the most explosive substance known to humans could help us understand how the Universe exists.

A stylised picture of a woman's face made from high-contrast blue and magenta points of light

Yet despite years of scanning the observable Universe, we simply don’t see any sign of huge quantities of antimatter out there, Professor Bray said.

“It’s a huge puzzle … as to why there are different amounts of matter and antimatter.”

One possible solution to this “missing antimatter” mystery is that gravity actually repulses antimatter. If Newton’s apple fell from the tree towards the ground, an anti-apple would fling up into the sky.

If such “repulsive antigravity” was the case, some physicists theorise, antimatter made in the Big Bang might have been propelled into an anti-Universe populated by antiparticles, and therefore be missing in the Universe we observe.

But the new finding that antimatter and ordinary matter act the same under gravity, reported in the journal Nature, all but rules out this potential explanation, Professor Bray said.

And the mystery of antimatter’s scarcity stands.

https://www.youtube.com/embed/YrnZu7Koe-M?feature=oembedYOUTUBEWe use it in medicine — even though the particles explode. Dr Ciaran O’Hare is here to explain.

Antimatter wranglers

According to Einstein’s theory of general relativity, antimatter should be subject to the same forces as ordinary matter, including the force of gravity.

But until now, no-one knew for sure if that was the case. At CERN, a few groups have spent years trying to find out.

A large warehouse structure with a big blue sign saying 'Antimatter Factory' — The Antimatter Factory is a giant nondescript warehouse building where the most explosive substance on the planet is made.(ABC Science: Carl Smith)

The Antihydrogen Laser Physics Apparatus or ALPHA team, which is behind the new findings, didn’t start out doing gravity experiments.

They originally set out to study the internal structure of hydrogen’s antimatter counterpart antihydrogen, said Jeffrey Hangst, an experimental physicist with the ALPHA collaboration.

“Once we realised we were getting pretty good at trapping, accumulating and manipulating antihydrogen, we thought we should build a gravity machine.

“It was kind of an afterthought.”

Antihydrogen, which comprises a negatively charged antiproton orbited by a positron, carries no overall electric charge, making it ideal for gravity experiments.

That’s because charged particles are affected by the magnetic field generated by the Earth, which can override any gravitational effects.

Professor Hangst and his crew created a cloud of antihydrogen atoms in a “trap” inside their tall, pipe-like ALPHA-g device.

A man in a hard hat, inside a warehouse, holding a long, vertical, silver pipe as other hard-hatted people look on — The ALPHA-g machine was assembled in 2018, but experiments didn’t begin until 2021.(Supplied: CERN)

Magnetic fields held the antihydrogen atoms inside the trap, stopping them from colliding with the sides and annihilating.

Those magnetic fields at the top and bottom of the trap were then slowly removed, releasing the antihydrogen cloud.

As the anti-atoms dropped through the bottom or jiggled their way out the top, they hit ordinary matter and annihilated, producing flashes of gamma rays which were counted by sensitive detectors.

https://www.youtube.com/embed/zpQQ43nrCp4?feature=oembedYOUTUBEHow the ALPHA-g experiment works.

Around 80 per cent of the antihydrogen atoms fell downwards — the same as ordinary hydrogen in the same situation.

The team also adjusted the magnetic field strength at either end of the trap to counteract or boost the force of gravity, then watched what the antihydrogen atoms did.

In every iteration, antihydrogen atoms behaved like ordinary hydrogen.

Is that the end for ‘repulsive antigravity’?

Professor Hangst said that while the study pointed to antimatter and matter acting identically under gravity, “there’s still wiggle room”.

The behaviour of antihydrogen matched very closely to simulations, “but there’s a lot of room for improvement”.

While most antihydrogen atoms did fall down from the trap under normal gravity, one in five ended up emerging from the top.

That’s because the antihydrogen atoms inside the trap weren’t stationery. They jiggled around a little — not enough to escape the trap’s magnetic clutches, but just enough to shimmy up and out when released.