反物质倒下了！重力对物质难以捉摸的双胞胎的影响被揭示出来

具有里程碑意义的欧洲核子研究中心实验回答了反物质和物质是被引力吸引还是排斥的长期问题。如果你扔下一些反物质，它会掉下来还是起来？科学家们现在知道了明确的答案：下来。也就是说，如果你能以某种方式阻止它爆炸成足够长的纯能量，看看它会去哪里。
一篇描述这一结论背后的里程碑式实验的科学论文今天发表在《 Nature》杂志上，该论文来自瑞士欧洲核研究组织（CERN）的国际反氢激光物理装置（ALPHA）合作。ALPHA合作的独特而艰苦的实验通过观察反氢原子的下降路径，回答了一个长期存在的基本问题，即反物质是被普通物质引力吸引还是排斥。他们的工作也为科学界最悬而未决的谜题之一提供了一个关键部分——为什么在可观测的宇宙中反物质如此之少？
欧洲核子研究中心的阿尔法合作得到了十几个国家和私人机构的支持，包括美国通过美国国家科学基金会/能源部基础等离子体科学和工程合作项目。
“爱因斯坦的广义相对论认为反物质的行为应该与物质完全相同，”加州大学伯克利分校等离子体物理学家、阿尔法合作成员乔纳森•武特尔说。“许多间接测量表明重力与反物质如预期的那样相互作用，但在今天的结果之前，没有人真正进行过直接观察，可以排除反氢在引力场中向上移动而不是向下移动。”

物质难以捉摸，不稳定的双胞胎
除了《星际迷航》中想象的反物质驱动的曲速引擎和光子鱼雷之外，反物质是完全真实的，但却神秘地稀少。我们的身体、地球和科学家所知道的宇宙中的大多数其他东西，绝大多数都是由科学家所说的重子物质组成的。重子物质主要由规则质子和中子组成，比如氧、碳、铁和元素周期表上的其他常见元素。
另一方面，反物质是规则物质的孪生兄弟——除了它根据特定类型的粒子具有一些相反的性质。例如，反质子带负电荷，而质子带正电荷。类似地，反电子（也称为正电子）是正电荷。
反物质还有另一个特性，使其具有独特的挑战性：
“一旦反物质接触到物质，它就会爆炸，”阿尔法合作成员、加州大学伯克利分校等离子体物理学家乔尔•法扬斯说。物质和反物质的结合质量在一个如此强烈的反应中完全转化为能量，以至于“爆炸”不能公正地对待它。
科学家称之为“毁灭”
法詹斯说：“对于给定的质量，这种湮灭是我们所知的最密集的能量释放形式。”
但不用担心。ALPHA实验中使用的反物质数量如此之少，以至于反物质/物质湮灭产生的能量对人类来说是无法察觉的。相反，必须使用高度敏感的探测器。“尽管如此，我们必须非常小心地操纵反物质，否则我们会失去它，”法扬斯说。

抛出反物质炸弹
这个庞大的ALPHA实验在日内瓦郊外一栋标有“反物质工厂”的大楼里进行了近20年的筹备。在那里，反质子和正电子在一个迷宫般的过程中结合，从头开始产生反氢。反质子由欧洲核子研究中心粒子加速器复合体产生并提供给ALPHA实验。正电子是从钠的人工放射性同位素中获得的，钠会释放它们。两种反粒子都被冷却到接近室温，形成等离子体，即第四种物质状态（固体、液体和气体是另外三种）。
然后将反质子和正电子等离子体送入一个名为ALPHA-g的垂直腔室，最终将在那里进行重力实验。
法詹斯说：“绝大多数实验时间都花在了等离子体操作上，以使这些反粒子等离子体达到我们需要的形状和温度。”“我们必须将它们冷却到大约10开尔文度——即绝对零度以上10度——我们必须将它们形成针状。”
“等离子体通常是最热的物质形式，”Wurtele解释道，“但是我们需要将它们冷却到几乎所有东西都是固体或液体的温度。”
一旦达到适当的条件，等离子体在ALPHA-g室内以精确的精度混合在一起，以产生珍贵的反氢原子。
“从广义上讲，我们正在制造反物质，我们正在做比萨斜塔式的实验，”武特尔说，他指的是阿尔法-格稍微简单一点的智力祖先，伽利略传奇的（也许是杜撰的）16世纪实验，展示了两个体积相似但质量不同的同时下落的物体的相同重力加速度。
"我们让反物质自由流动，然后观察它是上升还是下降。"

阿尔法-克是如何滴下反物质的
反氢被包含在ALPHA-g的圆柱形真空室中，使用可变磁阱，防止反物质接触室壁并湮灭。科学家们降低陷阱顶部和底部磁场的强度，直到反氢原子可以逃逸，重力相对较弱的影响变得明显。当每个反氢原子逃离磁阱时，它会接触陷阱上方或下方的室壁并湮灭，科学家可以检测和计数。
研究人员重复了十几次实验，每次都改变陷阱顶部和底部的磁场强度，以排除可能的误差。他们观察到，当减弱的磁场在顶部和底部精确平衡时，大约80%的反氢原子在陷阱下方湮灭——这一结果与普通氢原子云在相同条件下的行为一致。
因此，重力导致反氢下降。
法詹斯说：“以前，有许多间接的观察强烈表明反物质的引力是正常的。”“但是没有一个观察像在引力的影响下跟随反物质的轨迹那样无可争议；他们都依赖于更微妙的现象。”
物质/反物质之谜
你可能已经注意到，没有反物质的人在巨大的爆炸中四处走动并湮灭。事实上，尽管反物质的来源非常有限——比如钾发出的自然存在的正电子，包括香蕉内部的正电子——但我们在宇宙中的任何地方都看不到多少反物质。这与物理学定律背道而驰，物理学定律预测反物质应该以与常规物质大致相等的数量存在。
“在很大程度上，我们生活在一个由物质组成的宇宙中。一个大问题是‘为什么？’”阿尔法合作成员、马奎特大学等离子体物理学家蒂姆•萨普说。“周围没有很多反物质，我们真的不明白为什么宇宙会产生这种偏好。”
科学家称这个难题为重子发生问题。稀缺的一个潜在解释反物质在大爆炸期间被普通物质排斥，导致它发射到宇宙中我们看不见的遥远地方。这种理论似乎不再可信。
Wurtele说：“我们已经排除了反物质被引力排斥而不是被引力吸引的可能性，但这并不意味着反物质上的引力没有差异，尚未测量。”反物质上的引力可能比普通物质弱或强，这需要更精确的测量来确定。
“阿尔法合作的成功证明了跨大陆和科学界团队合作的重要性，”国家科学基金会物理部门的项目主任维亚切斯拉夫•斯拉瓦•卢金说。“理解反物质的性质不仅可以帮助我们理解我们的宇宙是如何形成的，还可以实现前所未有的新创新——比如正电子发射断层扫描，它通过应用我们的反物质知识来检测体内的癌性肿瘤，挽救了许多生命。”
阿尔法合作研究人员将继续探索反氢的性质，以寻找一些相反的方面。除了完善他们对重力影响的测量，他们还在研究反氢如何通过光谱与电磁辐射相互作用。
Wurtele说：“如果反氢与氢有某种不同，那将是一件革命性的事情，因为量子力学和重力的物理定律都表明行为应该是相同的。”
“不过，做了实验才知道。”