Genebra, 27 de setembro de 2023. Diz-se que o trabalho histórico de Isaac Newton sobre a gravidade foi inspirado na observação de uma maçã caindo de uma árvore. Mas e uma “anti-maçã”, feita de antimatéria ? Cairia da mesma forma se existisse? De acordo com a teoria da relatividade geral de Albert Einstein – a moderna teoria da gravidade – a antimatéria e a matéria deveriam cair na Terra da mesma maneira. Mas será este realmente o caso, ou existem outras forças de longo alcance para além da gravidade que influenciam a sua queda livre? 

Em um  artigo publicado hoje na revista  Nature , a colaboração  ALPHA na fábrica de antimatéria do CERN mostra que, dentro da precisão de seu experimento, os átomos de anti-hidrogênio (consistindo de um pósitron orbitando um antipróton) caem na Terra da mesma forma que seus equivalentes no material. 

“  Na física, você realmente não sabe algo até observá-lo ”, explica Jeffrey Hangst, porta-voz da ALPHA. Este é o primeiro experimento direto a observar concretamente um efeito gravitacional na antimatéria em movimento . Este é um passo importante no estudo da antimatéria, cuja aparente ausência no Universo permanece um mistério. »

A gravidade é a força de atração entre dois objetos com massa. É de longe a mais fraca das quatro forças fundamentais da natureza. Os átomos de anti-hidrogênio são partículas de antimatéria estáveis ​​e eletricamente neutras. Essas propriedades os tornam sistemas ideais para estudar o comportamento gravitacional da antimatéria. 

A colaboração ALPHA cria átomos de anti-hidrogénio a partir de antiprótons com carga negativa, produzidos e desacelerados pelas máquinas AD e ELENA na fábrica de antimatéria do CERN, ligando-os a pósitrons com carga positiva de uma fonte de sódio-22. Em seguida, ele prende os átomos de antimatéria neutros, mas fracamente magnéticos, resultantes em uma armadilha magnética, que os impede de entrar em contato com a matéria e serem aniquilados. 

Até agora, a equipa ALPHA utilizou principalmente o  dispositivo ALPHA-2  para realizar  estudos espectroscópicos que consistem em projetar luz laser ou microondas sobre  átomos de anti-hidrogénio  , a fim de medir a sua estrutura interna. Mas a equipe também construiu um dispositivo vertical, chamado ALPHA-g, que recebeu seus primeiros antiprótons em 2018 e foi comissionado em 2021. O “g” designa a aceleração local da gravidade, que, para a matéria, é de aproximadamente 9,81 metros por segundo quadrado. .  O dispositivo permite medir em quais posições verticais os átomos de anti-hidrogênio se aniquilam com a matéria, uma vez que o campo magnético da armadilha é interrompido e os átomos podem assim escapar.

Foi exatamente isso que os cientistas da ALPHA fizeram no seu novo estudo, após uma experiência de prova de princípio em 2013. com a  configuração ALPHA original. Eles capturaram grupos de cerca de 100 átomos de anti-hidrogênio, um grupo de cada vez, e então liberaram lentamente os átomos durante um período de 20 segundos, reduzindo gradualmente a intensidade da corrente no ímã superior e no ímã inferior da armadilha. Segundo simulações computacionais da instalação ALPHA-g, essa operação resultaria, para a matéria, na liberação de aproximadamente 20% dos átomos do topo da armadilha e 80% do fundo, diferença causada pela força da gravidade , puxando os átomos para baixo. Calculando a média dos resultados de sete testes de liberação de átomos,

O estudo completo envolveu a repetição do experimento várias vezes para diferentes valores de um campo magnético de "polarização" adicional, que poderia fortalecer ou neutralizar a força da gravidade . Ao analisar dados desta “faixa de polarização”, a equipe descobriu que, dentro da precisão do experimento atual (cerca de 20% g  ) , a aceleração de um átomo de anti-hidrogênio parece corresponder à força atrativa exercida pela gravitação entre a matéria e a Terra. . 

“  Levamos 30 anos para aprender como fazer esse antiátomo, como armazená-lo e como controlá-lo bem o suficiente para que pudéssemos soltá-lo e torná-lo sensível à força da gravidade”, explica Jeffrey Hangst . Ele acrescentou: “O próximo passo é medir a aceleração com a maior precisão possível.  Queremos verificar se a matéria e a antimatéria  “ caem ”  da mesma forma. “Espera-se que o resfriamento a laser de átomos de anti-hidrogênio ,  que demonstramos pela primeira vez no ALPHA-2 e implementaremos no dispositivo ALPHA-g em 2024, tenha um impacto significativo na precisão.  ”

A Fábrica de Antimatéria do CERN é  uma instalação única no mundo  dedicada à produção de antimatéria e ao seu estudo. Além do ALPHA, abriga os experimentos AEgIS e GBAR que também visam medir com grande precisão a aceleração gravitacional da antimatéria atômica. Há também a experiência BASE, cujo objectivo é comparar  com grande precisão as  propriedades do protão com as do seu equivalente em antimatéria; este experimento  realizou recentemente uma comparação  do comportamento gravitacional dessas duas partículas.

Fonte: Comunicado de imprensa do CERN: ALPHA observa a influência da gravidade na antimatéria.