反物質是往上還是往下墜落?CERN實驗對此展開研究
來自歐洲核子研究中心(CERN)的物理學家發現,反物質會墜落。這聽起來是一件顯而易見的事情,但科學家們尚未能夠確認它對重力的反應是否跟普通物質完全相同。現在,一個新的實驗提供了迄今為止的最佳答案。
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反物質很像構成我們周圍一切的物質,但有一個重要的區別:其粒子具有相反的電荷。而這個簡單的區別有一些重大的影響–每當一個粒子和它的反粒子相遇時它們就會互相湮滅。
對我們這些以物質為基礎的生物來說,幸好反物質在宇宙中極為罕見,然而沒有人真正知道原因。宇宙大爆炸本應產生等量的物質和反物質並最終會在數十億年前湮滅宇宙的全部內容。我們今天在這裡提出這個問題的事實表明,一些未知的因素造成了不平衡的現象。
因此,物理學家們正在仔細研究反物質,看看除了電荷之外,它和普通物質之間是否有任何其他差異,這可能是不平衡的原因。標準模型認為,不應該有任何其他差異,所以如果科學家發現了什麼它就有可能會打開一個全新的物理學世界。
這意味著要直接回到基礎知識來研究反物質。例如,每個元素都會吸收和發射不同波長的光並產生一個獨特的指紋–被叫做發射光譜。反物質應該跟它的物質對應物具有相同的光譜,但直到2016年,CERN的科學家們才最終檢查到。果然,反氫被發現具有跟氫相同的光譜。
反物質如何對引力產生反應是另一個看似簡單的問題,這需要多年的研究。這聽起來可能是我們應該已經知道的事情,但大多數時候反物質被懸浮在電磁陷阱中以防止它跟容器碰撞進而湮滅。預計反物質對引力的反應應該會跟普通物質相同–但有一個微小的機會並不如此,可能反其道而行,即向上墜落。
為了測試這個想法,研究小組將反質子和帶負電的氫離子放入一個叫做潘寧陷阱的電磁裝置中。一旦進入其中,粒子就會遵循一個週期性的軌跡,通過測量它們的頻率,科學家可以計算出它們的電荷質量比。這個比率對於物質和反物質粒子來說應該是相同的,但任何差異都將歸因於它們跟重力的相互作用的變化。
果然,研究小組發現,物質和反物質對引力的反應是一樣的。至少,在實驗的不確定性範圍內,也就是在粒子所經歷的重力加速度的97%以內。研究人員指出,這比以前的實驗要精確四倍。
然而這仍為新物理學的潛入留下了空間。其他實驗正在通過一種聽起來更簡單的方法來測試反物質跟重力的相互作用–丟棄反物質粒子,看看它們會去哪裡。如果這些團隊發現跟當前實驗不同的結果,那麼這可能暗示了標準模型之外的物理學。