השפעת כוח המשיכה על אנטי-חומר: לראשונה נמדדה נפילה חופשית של אטומי אנטי-מימן

ממצאי המחקר מהווים אבן דרך בחקר התכונות וההתנהגות של אנטי-חומר ופורסמו בכתב העת היוקרתי Nature.

תורת היחסות של אלברט איינשטיין תיארה את השפעות כוח הכבידה כבר בשנת 1915 ונחקרה מאז רבות. מרכיב מרכזי בתיאוריה הנקרא 'עקרון השקילות החלשה' קובע שכל העצמים, ללא קשר למסה או להרכבם, צריכים ליפול באופן חופשי באותה צורה בתגובה לכוח הכבידה. למרות שהדעה הרווחת היא שאנטי-חומר צריך להתנהג באותו האופן כמו חומר בתגובה למשיכת כוח הכבידה של כדור הארץ, חסרו תצפיות ישירות על החומר, בשל אתגרים ביצירת תנאי ניסוי מבוקרים בקפידה.

קבוצת המדענים הבינלאומית 'אלפא' (ALPHA) הוקמה בשנת 2005 למטרות חקר של אטומי אנטי מימן, כניסוי המשך לניסוי 'אתנה' (ATHENA) שנערך במרכז המחקר  CERN בג'נבה, שוויץ. אטומי אנטי מימן מורכבים מאנטי פרוטון כגרעין (האנטי חלקיק של הפרוטון המצוי באטום מימן רגיל) ומפוזיטרון (האנטי חלקיק של האלקטרון). מכיוון שלאטומי אנטי מימן אין מטען חשמלי, קשה ללכוד אותם. כל מגע עם חומר רגיל כמו קירות המלכודת גורם לאיון (השמדה, אניהילציה) שלהם. קבוצת המחקר 'אלפא' הייתה הראשונה שפיתחה טכניקות מגנטיות ללכידה אטומי אנטי מימן קרים (2012), והראשונה לבצע מדידות של רמות האנרגיה שלהם (2017-2019). עתה היא גם הראשונה למדוד נפילה חופשית של אנטי אטומים אלה.

כוח המשיכה הוא כוח משיכה בין כל שני עצמים בעלי מסה. זהו הכוח החלש ביותר מבין ארבעת כוחות הטבע הבסיסיים (כוח גרעיני חזק, הכוח החשמלי-מגנטי, כוח גרעיני חלש וכוח המשיכה). אטומי אנטי מימן הם חלקיקים ניטרליים ויציבים מבחינה חשמלית של אנטי-חומר. הניטרליות החשמלית מקלה מאוד על האפשרות למדוד ישירות את התנהגות הכבידה של אנטי-חומר מבלי שהשפעות של שדות חשמליים יתחרו בתנועה הנמדדת.

המלכודות שבנתה אלפא עד 2018 היו מלכודות אופקיות, ובהן פותחו טכניקות הקירור והלכידה של אטומי האנטי מימן. במלכודת שכונתה ALPHA-2, קרינת לייזר או גלי מיקרוגל הגיבו עם אטומי האנטי מימן בכדי למדוד את המבנה הפנימי שלהם. הפעם, נבנתה מלכודת חדשה ואנכית בשם ALPHA-g , במיוחד על מנת לאפשר מדידה מדויקת של הנפילה החופשית של האנטי אטומים. עיקרון המדידה הוא לכידה של האנטי אטומים הקרים, הנעים למעלה ולמטה בתוך המלכודת, ואז שחרורם באמצעות הורדת השדות המגנטיים היוצרים את המלכודת. ללא שדות אלו, האנטי אטומים יוצאים מהמלכודת וכאשר הם מגיעים לקיר חומר- מושמדים, אפקט שניתן למדידה.  הדמיות ממוחשבות של הניסוי הצביעו על כך שאם האנטי אטומים נופלים כמו אטומים רגילים, רק כ-20% מהאטומים יצאו מהחלק העליון של המלכודת ו-80% מהחלק התחתון. על ידי ממוצע התוצאות של הניסויים בעת שחרור האטומים,  מצאו המדענים  כי התוצאות תואמות את הציפיות מהסימולציות  בהנחה של נפילה 'למטה' בדומה לאטומים רגילים. נשללה האפשרות כי האנטי אטומים נופלים 'למעלה'. המחקר המלא כלל חזרה על הניסוי מספר פעמים עבור ערכים שונים של שדה מגנטי נוסף, שיכול לחזק או לפעול כנגד כוח הכבידה. על ידי ניתוח התוצאות מניסויים אלה, נמצא שעד כדי דיוק של כ-20% התאוצה של אטום אנטי מימן תואמת את כוח המשיכה המוכר והמושך בין החומר לחומר-כדור הארץ.

"זו המדידה הראשונה שבוצעה אי פעם של נפילה חופשית של אטומי אנטי חומר (אנטי מימן) שמראה באופן ישיר שהם באמת נופלים למטה", הסביר פרופ' אלי שריד מהמחלקה לפיסיקה באוניברסיטת בן-גוריון בנגב. שריד, חבר קבוצת המחקר הבינלאומית 'אלפא' מאז 2005  והישראלי היחיד החבר בה. "מזה 18 שנה בהן היינו הקבוצה הראשונה שיצרה ולכדה במאיץ החלקיקים  אטומי אנטי מימן קרים, והיחידה שמדדה מעברים אטומיים באטומים אלה והשוותה את האנרגיה שלהם לאטומי חומר 'נורמליים'. עכשיו הגיע זמן הגרביטציה. הדיוק במדידה הנוכחית הוא רק תחילת הדרך. בעקבות מדידה פורצת דרך זו, אנו מקווים לשפר את דיוק המדידה לכ 1% כבר בשנת הניסויים הבאה, 2024".

"לקח לנו 30 שנה ללמוד איך ליצור את האנטי-אטום הזה, להחזיק בו ולשלוט בו מספיק טוב כדי שנוכל להפיל אותו באופן שהוא יהיה רגיש לכוח הכבידה", דובר אלפא ג'פרי האנגסט. "השלב הבא הוא למדוד את התאוצה בצורה הכי מדויקת שאנחנו יכולים. אנחנו רוצים לבדוק אם חומר ואנטי-חומר אכן נופלים באותו אופן. לקירור בלייזר של אטומי אנטי מימן צפויה להיות השפעה משמעותית על הדיוק".

מחקר זה נתמך על-ידי הקרן הלאומית למדע של ישראל (מענק מס' 1099\18)- ISF, וסוכנויות מרחבי העולם- קרן מדעי הטבע (NSF) , משרד האנרגיה (DOE), מועצת המחקר להנדסה ומדעי הפיזיקה (EPSRC), מועצת מתקני המדע והטכנולוגיה (STFC), VR (שבדיה), קרן לבורהולמה (בריטניה), החברה המלכותית, קרן קרלסברג (דנמרק), מרכז ניס FNU, DRAC קנדה, CFI, EHPDS/EHDRS, NRC/TRIUMF, מועצת המחקר למדעי הטבע וההנדסה של קנדה (NSERC) , ENAFAE ברזיל, FAPERJ, CNPq.

קבוצת המחקר כללה את:

E. K. Anderson: Aarhus University, C. J. Baker: Swansea University, W. Bertsche: University of Manchester, Cockcroft Institute, Sci-Tech Daresbury, N. M. Bhatt: Swansea University, G. Bonomi: University of Brescia, Brescia and INFN Pavia, A. Capra: TRIUMF, I. Carli: TRIUMF, C. L. Cesar: Instituto de Fisica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, M. Charlton: Swansea University, A. Christensen: University of California at Berkeley, R. Collister: TRIUMF, University of British Columbia, A. Cridland Mathad: Swansea University, D. Duque Quiceno: TRIUMF, University of British Columbia, S. Eriksson: Swansea University, A. Evans: TRIUMF, University of British Columbia, N. Evetts: University of British Columbia, S. Fabbri: University of Manchester, CERN, J. Fajans: University of California at Berkeley, A. Ferwerda: York University, T. Friesen: University of Calgary, M. C. Fujiwara: TRIUMF, D. R. Gill: TRIUMF, L. M. Golino: Swansea University, M. B. Gomes Gonçalves: Swansea University, P. Grandemange: TRIUMF, P. Granum: Aarhus University, J. S. Hangst: Aarhus University, M. E. Hayden: Simon Fraser University, D. Hodgkinson: University of Manchester, University of California at Berkeley, E. D. Hunter: University of California at Berkeley, C. A. Isaac: Swansea University, A. J. U. Jimenez: TRIUMF, M. A. Johnson: University of Manchester, Cockcroft Institute, Sci-Tech Daresbury, J. M. Jones: Swansea University, S. A. Jones: University of Groningen, S. Jonsell: Stockholm University, A. Khramov: TRIUMF, University of British Columbia, British Columbia Institute of Technology, N. Madsen: Swansea University, L. Martin: TRIUMF, N. Massacret: TRIUMF, D. Maxwell: Swansea University, J. T. K. McKenna: Aarhus University, University of Manchester, S. Menary: York University, T. Momose: TRIUMF, University of British Columbia, M. Mostamand: TRIUMF, University of British Columbia, P. S. Mullan: Swansea University, ETH, J. Nauta: Swansea University, K. Olchanski: TRIUMF, A. N. Oliveira: Aarhus University, J. Peszka: Swansea University, ETH, A. Powell: University of Calgary, C. Ø. Rasmussen: CERN, F. Robicheaux: Purdue University, R. L. Sacramento: Instituto de Fisica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, M. Sameed: University of Manchester, CERN, E. Sarid: Soreq NRC, Ben Gurion University, J. Schoonwater: Swansea University, D. M. Silveira: Instituto de Fisica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, J. Singh: University of Manchester, G. Smith: TRIUMF, University of British Columbia, C. So: TRIUMF, S. Stracka: INFN Pisa, G. Stutter: Aarhus University, University of Sussex, T. D. Tharp: Marquette University, K. A. Thompson: Swansea University, R. I. Thompson: TRIUMF, University of Calgary, E. Thorpe-Woods: Swansea University, C. Torkzaban: University of California at Berkeley, M. Urioni: University of Brescia, Brescia and INFN Pavia, P. Woosaree: University of Calgary, J. S. Wurtele: University of California at Berkeley.