Para aqueles que ainda têm esperança de que a antimatéria levita em vez de cair num campo gravitacional, como a matéria normal, os resultados de uma nova experiência são uma dose de realidade fria.

Os físicos que estudam o anti-hidrogénio – um antipróton emparelhado com um antielétron, ou pósitron – demonstraram conclusivamente que a gravidade o puxa para baixo e não o empurra para cima.

Pelo menos para a antimatéria, a antigravidade não existe.

Os resultados experimentais foram relatados na edição de setembro da revista Nature por uma equipe que representa a colaboração Anti-hidrogênio Laser Physics Apparatus ( ALPHA ) no Centro Europeu de Pesquisa Nuclear (CERN) em Genebra, Suíça.

A aceleração gravitacional da antimatéria que a equipe descobriu é próxima da da matéria normal na Terra: 1 g, ou 9,8 metros por segundo por segundo (32 pés por segundo por segundo). Mais precisamente, descobriu-se que estava dentro de cerca de 25% (um desvio padrão ) da gravidade normal.

“Certamente acelera para baixo, e está dentro de cerca de um desvio padrão da aceleração na taxa normal”, disse Joel Fajans, professor de física da UC Berkeley que, com o colega Jonathan Wurtele, um teórico, propôs pela primeira vez o experimento há mais de uma década. . “O resultado final é que não existe almoço grátis e não seremos capazes de levitar usando antimatéria”.

O resultado não surpreenderá a maioria dos físicos. A teoria da relatividade geral de Albert Einstein , embora concebida antes da descoberta da antimatéria em 1932, trata toda a matéria de forma idêntica, implicando que a antimatéria e a matéria respondem da mesma forma às forças gravitacionais . Toda matéria normal, como prótons, nêutrons e elétrons, possui antipartículas que carregam carga elétrica oposta e, quando encontram sua contraparte de matéria normal, aniquilam-se completamente.

"O resultado oposto teria tido grandes implicações; seria inconsistente com o princípio de equivalência fraca da teoria geral da relatividade de Einstein", disse Wurtele, professor de física da UC Berkeley. "Este experimento é a primeira vez que foi feita uma medição direta da força da gravidade na antimatéria neutra. É mais um passo no desenvolvimento do campo da ciência da antimatéria neutra."

Fajans observou que nenhuma teoria física realmente prevê que a gravidade deveria ser repulsiva para a antimatéria. Alguns físicos afirmam que, se assim fosse, seria possível criar uma máquina de movimento perpétuo, o que é teoricamente impossível.

No entanto, a ideia de que a antimatéria e a matéria poderiam ser afetadas de forma diferente pela gravidade era atraente porque poderia explicar alguns enigmas cósmicos. Por exemplo, poderia ter levado à separação espacial da matéria e da antimatéria no universo primitivo, explicando por que vemos apenas uma pequena quantidade de antimatéria no universo que nos rodeia. A maioria das teorias prevê que quantidades iguais de matéria e antimatéria deveriam ter sido produzidas durante o Big Bang que deu origem ao universo.

De acordo com Fajans, houve muitas experiências, todas indiretas, que sugerem fortemente que a antimatéria gravita normalmente, mas estas experiências foram relativamente subtis.

"Você pode perguntar, por que não fazer o experimento óbvio e deixar cair um pedaço de antimatéria, uma espécie de torre inclinada do experimento de Pisa? Você sabe, o experimento que Galileu na verdade não fez - era apócrifo - onde ele supostamente deixou cair uma pista bola e uma bola de madeira do topo da torre e provou que ambas chegaram ao chão ao mesmo tempo", disse ele.

“O verdadeiro problema é que a força gravitacional é incrivelmente fraca em comparação com as forças elétricas”, acrescentou Fajans. "Até agora, provou-se impossível medir diretamente a gravidade com uma medição do tipo gota com uma partícula carregada, como um pósitron nu, porque qualquer campo elétrico disperso desviará a partícula muito mais do que a gravidade."

Na verdade, a força gravitacional é a mais fraca das quatro forças conhecidas da natureza. Ela domina a evolução do universo porque toda a matéria – teoricamente – é afetada por ela em distâncias imensas. Mas para um pequeno pedaço de antimatéria, o efeito é minúsculo. Um campo elétrico de 1 volt/metro exerce uma força sobre um antipróton que é cerca de 40 trilhões de vezes maior que a força da gravidade exercida sobre ele pelo planeta Terra.

A colaboração ALPHA no CERN sugeriu a Wurtele uma nova abordagem. Em 2010, a equipe ALPHA estava capturando quantidades significativas de átomos de anti-hidrogênio e, em 2011, Wurtele insistiu com Fajans que, como o anti-hidrogênio tem carga neutra, não seria afetado por campos elétricos, e eles deveriam explorar a possibilidade de uma medição da gravidade.

Fajans rejeitou a ideia durante muitos meses, mas acabou por ser persuadido a levá-la a sério o suficiente para realizar algumas simulações que sugeriam que as ideias de Wurtele tinham mérito. O professor da UC Berkeley, Andrew Charman, e o pós-doutorado Andrey Zhmoginov envolveram-se e perceberam que uma análise retrospectiva de dados anteriores poderia fornecer limites muito grosseiros nas interações gravitacionais da antimatéria com a Terra.

Com a ajuda dos seus colegas ALPHA, isto levou a um artigo que concluiu que o anti-hidrogénio não experimenta mais do que cerca de 100 vezes a aceleração – para cima ou para baixo – devido à gravidade da Terra, em comparação com a matéria normal.

Mesmo assim, esse início desanimador convenceu a equipe ALPHA a construir um experimento para fazer uma medição mais precisa. Em 2016, a colaboração começou a construir uma nova experiência, ALPHA-g, que realizou as suas primeiras medições no verão e no outono de 2022.

Os resultados publicados na Nature baseiam-se em simulações e numa análise estatística do que a equipa observou no ano passado e coloca a constante gravitacional da antimatéria em 0,75 ± 0,13 ± 0,16 g, ou, se combinarmos os erros estatísticos e sistemáticos, 0,75 ± 0,29 g. , que está dentro das barras de erro de 1 g. A equipe concluiu que a chance de a gravidade ser repulsiva para a antimatéria é tão pequena que não tem sentido.

Pelo menos uma dúzia de estudantes de graduação em física da UC Berkeley participaram da montagem e execução do experimento, disseram Fajans e Wurtele, muitos deles de grupos não bem representados no campo da física.

“Tem sido uma grande oportunidade para muitos estudantes de graduação de Berkeley”, disse Fajans. "São experimentos divertidos e nossos alunos aprendem muito."

O plano para o ALPHA-g proposto por Wurtele e Fajans era confinar cerca de 100 átomos de anti-hidrogênio por vez em uma garrafa magnética de 25 centímetros de comprimento. ALPHA só pode confinar átomos de anti-hidrogênio que tenham uma temperatura inferior a meio grau acima do zero absoluto, ou 0,5 Kelvin.

Mesmo a esta temperatura extremamente baixa, os antiátomos movem-se a velocidades médias de 100 metros por segundo, refletindo centenas de vezes por segundo nos fortes campos magnéticos nas extremidades da garrafa. (O momento dipolar magnético de um átomo de anti-hidrogênio é repelido pelos campos magnéticos comprimidos de 10.000 Gauss em cada extremidade da garrafa.)

Se a garrafa estiver orientada verticalmente, os átomos que se movem para baixo irão acelerar devido à gravidade, enquanto aqueles que se movem para cima irão desacelerar. Quando os campos magnéticos em cada extremidade são idênticos, ou seja, equilibrados, os átomos que se movem para baixo terão, em média, mais energia. Assim, será mais provável que escapem pelo espelho magnético e atinjam o recipiente, aniquilando-se num flash de luz e produzindo de três a cinco píons. Os píons são detectados para determinar se o antiátomo escapou para cima ou para baixo.

O experimento é como uma balança padrão usada para comparar pesos muito semelhantes, disse Fajans. A balança magnética torna a força gravitacional relativamente pequena visível na presença de forças magnéticas muito maiores, da mesma forma que uma balança normal torna visível a diferença entre 1 quilograma e 1.001 quilograma.

Os campos magnéticos do espelho são então reduzidos muito lentamente, de modo que todos os átomos eventualmente escapam. Se a antimatéria se comportar como a matéria normal, mais antiátomos – cerca de 80% deles – deveriam escapar pela parte inferior do que pela parte superior.

“O equilíbrio permite-nos ignorar o fato de que os antiátomos são todos de energias diferentes”, disse Fajans. "Os de menor energia escapam por último, mas ainda estão sujeitos ao equilíbrio, e o efeito da gravidade é aumentado para todos os antiátomos."

A configuração experimental também permite que o ALPHA torne o espelho magnético inferior mais forte ou mais fraco que o espelho superior, o que dá a cada antiátomo um aumento de energia que pode cancelar ou superar os efeitos da gravidade, permitindo que um número igual ou maior de antiátomos saia do topo . do que o fundo.

"Isso nos dá um botão experimental poderoso que nos permite, basicamente, acreditar que o experimento realmente funcionou, porque podemos provar a nós mesmos que podemos controlar o experimento de maneira previsível", disse Fajans.

Os resultados tiveram que ser tratados estatisticamente devido às muitas incógnitas: os pesquisadores não podiam ter certeza de quantos átomos de anti-hidrogênio haviam aprisionado, não podiam ter certeza de terem detectado todas as aniquilação, não podiam ter certeza de que não havia alguns campos magnéticos desconhecidos que teriam afetado as trajetórias dos antiátomos, e eles não podiam ter certeza de terem medido corretamente o campo magnético na garrafa.

“O código de computador da ALPHA que simula o experimento pode estar sutilmente errado porque não sabemos as condições iniciais precisas dos átomos de anti-hidrogênio . , pode estar errado porque nossos campos magnéticos não estão corretos e pode estar errado para algum desconhecido desconhecido." Wurtele disse. "No entanto, o controlo proporcionado pelo ajuste do botão de equilíbrio permite-nos explorar a extensão de quaisquer discrepâncias, dando-nos a confiança de que o nosso resultado está correto."

Os físicos da UC Berkeley estão esperançosos de que as futuras melhorias no ALPHA-g e nos códigos de computador irão melhorar a sensibilidade do instrumento por um fator de 100.

"Este resultado é um esforço de grupo, embora a gênese deste projeto tenha sido em Berkeley", disse Fajans, "ALPHA foi projetado para espectroscopia de anti-hidrogênio, não para medições gravitacionais desses antiátomos. A proposta de Jonathan e minha era completamente ortogonal a todos os planos para ALPHA, e a pesquisa provavelmente não teria acontecido sem o nosso trabalho e anos de desenvolvimento solitário."

E embora o resultado nulo possa ser considerado pouco entusiasmante, a experiência é também um teste importante da relatividade geral, que até à data passou em todos os outros testes.

"Se você andar pelos corredores deste departamento e perguntar aos físicos, todos dirão que este resultado não é nem um pouco surpreendente. Essa é a realidade", disse Wurtele. "Mas a maioria deles também dirá que o experimento teve que ser feito porque você nunca pode ter certeza. A física é uma ciência experimental. Você não quer ser o tipo de estúpido que não faz um experimento que explora possíveis nova física porque você pensou que sabia a resposta, e então acaba sendo algo diferente."

Os alunos de graduação que participaram incluem Josh Clover, Haley Calderon, Mike Davis, Jason Dones, Huws Landsberger, Nicolas Kalem James McGrievy, Dalila Robledo, Sara Saib, Shawn Shin, Ethan Ward, Larry Zhao e Dana Zimmer.