Det är en grundläggande fysiklag som till och med den ivrigaste vetenskapsfob kan definiera:materia faller under gravitationen. Men vad sägs om antimateria, som har samma massa men motsatt elektrisk laddning och spinn? Enligt Einsteins allmänna relativitetsteori, gravitationen bör behandla materia och antimateria identiskt. Att hitta ens den minsta skillnaden i deras fritt fall skulle därför leda till en revolution i vår förståelse. Medan materiens fria fall har mätts med en noggrannhet på omkring en del av 100 biljoner, ingen direkt mätning för antimateria har ännu utförts på grund av svårigheten att producera och innehålla stora mängder av den.

I en artikel som nyligen publicerats i tidskriften Naturkommunikationsfysik , AEGIS-samarbetet vid CERNs Antiproton Decelerator (AD) rapporterar en viktig milstolpe mot detta mål. Med hjälp av nya tekniker utvecklade 2018, teamet visade pulsad produktion av antiväteatomer, vilket gör att tidpunkten då antiatomerna bildas kan nålas fast med hög noggrannhet.

"Detta är första gången som pulsad bildning av antiväte har etablerats på tidsskalor som öppnar dörren för samtidig manipulation, med laser eller externa fält, av de bildade atomerna, samt möjligheten att tillämpa samma metod på pulsad bildning av andra antiprotoniska atomer, " säger AEGIS talesman Michael Doser på CERN. "Att känna till ögonblicket för antivätebildning är ett kraftfullt verktyg."

CERN är den enda platsen i världen där antiväte kan produceras och studeras i detalj. Antiväte är ett idealiskt system för att testa det gravitationsmässiga fria fallet och andra grundläggande egenskaper hos antimateria eftersom det har lång livslängd och är elektriskt neutralt. Den första produktionen av lågenergi antiväte, rapporterades 2002 av ATHENA- och ATRAP-samarbetena vid AD, involverade "trekropps"-rekombinationen av moln av antiprotoner och positroner. Sedan dess, stadiga framsteg genom AD:s ALPHA-samarbete för att producera, manipulering och fångst av allt större mängder antiväte har gjort det möjligt att bestämma spektroskopiska och andra egenskaper hos antimateria i utsökt detalj.

Medan trekroppsrekombination resulterar i en nästan kontinuerlig antivätekälla, där det inte är möjligt att märka tiden för antiatombildningen, AEgIS har använt en alternativ "laddningsutbyte"-process där bildningen av antiväteatomer utlöses av en exakt laserpuls. Detta gör att tidpunkten då 90 % av atomerna produceras kan bestämmas med en osäkerhet på cirka 100 ns.

Flera ytterligare steg krävs innan AEGIS kan mäta gravitationens inverkan på antimateria, inklusive bildandet av en pulserad stråle, större mängder antiväte, och förmågan att göra det kallare. "Med bara tre månaders stråltid i år, och massor av ny utrustning att driftsätta, sannolikt kommer 2022 att vara året då vi etablerar pulserande strålbildning, vilket är en förutsättning för att vi ska kunna utföra en gravitationsmätning, " förklarar Doser.

Efter en proof-of-princip-mätning av ALPHA-samarbetet 2013, ALFA, AEGIS och ett tredje AD-experiment kallat GBAR planerar alla att mäta antiatomernas fria fall på 1 %-nivå under de kommande åren. Var och en använder olika tekniker, och alla tre har nyligen kopplats till den nya ELENA-synkrotronen, vilket möjliggör produktion av mycket lågenergiantiprotoner.

Med tanke på att det mesta av massan av antikärnor kommer från den starka kraft som binder kvarkar samman, fysiker anser att det är osannolikt att antimateria upplever en motsatt gravitationskraft till materia. Ändå, exakta mätningar av antiatomernas fria fall kan avslöja subtila skillnader som skulle öppna en viktig spricka i vår nuvarande förståelse.