Nell’ambito di un esperimento per misurare, a un livello estremamente preciso, i rapporti carica-massa di protoni e antiprotoni, la collaborazione BASE guidata da RIKEN al CERN, Ginevra, Svizzera, ha scoperto che, nell’incertezza dell’esperimento, materia e antimateria rispondono alla gravità allo stesso modo.
Materia e antimateria creano oggi alcuni dei problemi più interessanti della fisica
Materia e antimateria Sono essenzialmente equivalenti, tranne che dove una particella ha una carica positiva la sua antiparticella ne ha una negativa. Per altri aspetti sembrano equivalenti. Tuttavia, uno dei grandi misteri della fisica odierna, noto come “asimmetria barionica“, è che, nonostante sembrino equivalenti, l’universo sembra composto interamente di materia, con pochissima antimateria. Naturalmente, gli scienziati di tutto il mondo stanno cercando di trovare la causa di questa asimmetria, il che potrebbe spiegare perché esistiamo.
Come parte di questa ricerca, gli scienziati hanno esplorato se materia e antimateria interagiscono in modo simile con la gravità, o se l’antimateria sperimenterebbe la gravità in un modo diverso dalla materia, il che violerebbe il principio di equivalenza debole di Einstein. Ora, la collaborazione BASE ha dimostrato, entro limiti rigorosi, che l’antimateria in effetti risponde alla gravità allo stesso modo della materia.
La scoperta, pubblicata sulla rivista Nature, proveniva in realtà da un esperimento diverso, che stava esaminando i rapporti carica-massa di protoni e antiprotoni, una delle altre misurazioni importanti che potrebbero determinare la differenza chiave tra i due.
Questo lavoro ha comportato 18 mesi di lavoro presso la fabbrica di antimateria del CERN. Per effettuare le misurazioni, il team ha confinato gli antiprotoni e gli ioni di idrogeno caricati negativamente, che hanno usato come proxy per i protoni, in una trappola di Penning. In questo dispositivo, una particella segue una traiettoria ciclica con una frequenza, vicina alla frequenza del ciclotrone, che si adatta all’intensità del campo magnetico della trappola e al rapporto carica-massa della particella. Alimentando antiprotoni e ioni di idrogeno caricati negativamente nella trappola, uno alla volta, sono stati in grado di misurare, in condizioni identiche, le frequenze del ciclotrone dei due tipi di particelle, confrontando i loro rapporti carica-massa.
Secondo Stefan Ulmer, il leader del progetto, “In questo modo siamo stati in grado di ottenere il risultato che sono essenzialmente equivalenti, a un livello quattro volte più preciso rispetto alle misure precedenti. A questo livello di invarianza, causalità e località del CPT tenere nelle teorie dei campi quantistici relativistici del Modello Standard.”
È interessante notare che il gruppo ha utilizzato le misurazioni per testare una legge fisica fondamentale nota come principio di equivalenza debole. Secondo questo principio, corpi diversi nello stesso campo gravitazionale dovrebbero subire la stessa accelerazione in assenza di forze di attrito. Poiché l’esperimento BASE è stato posto sulla superficie della Terra, le misurazioni della frequenza del ciclotrone del protone e dell’antiprotone sono state effettuate nel campo gravitazionale sulla superficie terrestre e qualsiasi differenza tra l’interazione gravitazionale di protoni e antiprotoni risulterebbe in una differenza tra il frequenze del ciclotrone.
Campionando il campo gravitazionale della Terra mentre il pianeta orbitava attorno al Sole, gli scienziati hanno scoperto che, materia e antimateria rispondevano alla gravità allo stesso modo fino a un grado di tre parti su 100, il che significa che l’accelerazione gravitazionale della materia e dell’antimateria sono identiche entro il 97% dell’accelerazione sperimentata.
Ulmer aggiunge che queste misurazioni potrebbero portare a una nuova fisica, sostenendo che: “l’accuratezza del 3% dell’interazione gravitazionale ottenuta in questo studio è paragonabile all’obiettivo di precisione dell’interazione gravitazionale tra antimateria e materia che altri gruppi di ricerca intendono misurare utilizzando atomi di anti-idrogeno in caduta libera. Se i risultati del nostro studio differisce da quelli degli altri gruppi, potrebbe portare all’alba di una fisica completamente nuova”.
