Om du skulle tappa en bunt antimateria, skulle den falla upp eller ner?

Einsteins allmänna relativitetsteori förutspår att antimateria skulle falla ner i jordens gravitationsfält, och detta är vad de flesta fysiker skulle förvänta sig att resultatet skulle bli. Men trots att detta är vår bästa beskrivning av gravitationen, vet vi att det finns luckor i vår förståelse. Faktum är att Einsteins teori förutsäger sitt eget misslyckande vid extremer som rymdtidssingulariteter inuti svarta hål.

Det finns också en del spekulationer om huruvida det motsatta kan vara sant. Vi kan inte förklara universums expansion och geometri med vad vi vet om gravitation om det inte finns enorma mängder massa som vi inte kan se. Vi förklarar detta genom begreppen mörk energi och mörk materia som interagerar med gravitationen och formar det ljusa universum. Dessa krafter är mystiska och det finns fortfarande mycket vi inte har listat ut.

En spännande möjlighet är att antimateria kan bete sig annorlunda än materia när det kommer till gravitation, och att materia och antimateria till och med stöter bort varandra. Det kan hjälpa till att förklara universums form och expansion utan att det finns mörk energi.

Men ingenting är riktigt känt förrän det har observerats. Och det är verkligen svårt att observera antimateria eftersom det ögonblick den kolliderar med normal materia förintas båda.

ALPHA-samarbetet är ett internationellt team skapat för att undersöka beteendet och egenskaperna hos antimateria. Resultaten av deras första test av antimateria i fritt fall publicerades denna vecka i Nature.

Studien var en del av en internationell satsning från ALPHA-samarbetet, som inkluderade författare från flera kanadensiska institutioner:TRIUMF, University of British Columbia, York University, University of Calgary, Simon Fraser University och British Columbia Institute of Technology.

För sin studie behövde de göra antiväte för att observera, eftersom detta är den minsta neutrala atom som kan göras. Tyngdkraften är den svagaste av de fyra kända krafterna som verkar på massorna, så alla elektriska laddningar skulle göra det omöjligt att observera gravitationens effekter.

Som de har gjort tidigare gjorde de antiprotoner i en partikelaccelerator och antielektroner (positroner) genom radioaktivt sönderfall. Dessa hålls först separat, och deras laddningar gör dem relativt lätta att fånga i ett nästan perfekt vakuum, vilket håller dem borta från materia med hjälp av elektriska fält. När de är klara knuffar ALPHA-forskarna de två tillsammans för att skapa lågenergi-antiväteatomer.

När det väl kombinerats är det resulterande antivätet laddningsneutralt, och de elektriska fälten kan inte längre hålla dem. Även om det mesta av antivätet kommer att träffa väggarna i fällan och förstöras, drar starka elektromagneter fördel av antivätets svaga magnetiska egenskaper för att hålla fast vid resten. För den här studien konstruerade teamet en flera meter hög vertikal fälla för att hålla antivätet.

Inne i fällan tog teamet sin hög med antiväteatomer och släppte dem sakta, gradvis minskade strömmen i deras elektromagneter på ett synkroniserat och symmetriskt sätt så att antivätet skulle vara fritt att fly från toppen eller botten. Positionerna för de efterföljande förintelsehändelserna kunde sedan mätas för att se om de föll upp eller ner.

Det observerade antivätet är fortfarande tillräckligt energiskt för att vi förväntar oss att några flyger ut i vardera riktningen. Även högar av vanligt väte skulle förväntas ha en fördelning under gravitationen, med cirka 20 procent av atomerna som kommer ut från toppen och resten faller ut längst ner. Så resultaten jämfördes med simuleringar för väte under samma förhållanden.

Men vi vet också att magnetfält, som teamet också använde som en del av antivätefällans design, påverkar deras rörelse. För att motverka effekterna av eventuella herrelösa magnetiska störningar, upprepade de samma test med ett magnetiskt tryck av varierande styrka i båda riktningarna.

Under alla testade förhållanden betedde sig antivätet i ett mönster som liknade de resultat som simulerades för vanligt väte - och tenderade att falla ner under påverkan av gravitationen som normal materia.

Den observerade styrkan beräknades till 75 procent av vad materia upplever, giv eller tar de 29 procent fel som kan komma från statistiska, systematiska eller simuleringskällor.

Även om matchningen till de simulerade värdena inte var perfekt, överensstämmer bevisen med en attraktiv gravitationskraft och utesluter möjligheten av en frånstötande kraft mot materia och antimateria.

Nästa steg inkluderar skiktning av tekniker som laserkylning för att ytterligare bromsa ned antiväte för att göra ännu mer exakta mätningar i framtida studier. Detta gör att teamet bättre kan mäta den exakta accelerationshastigheten och ta reda på om tyngdkraften är densamma för antimateria som för materia.

Detta är ett spännande ögonblick inom partikelfysiken som ger oss insikt i universums natur.