L'antimateria cade come la materia, supportando la teoria della gravità di Einstein

È ufficiale: l’antimateria cade, non su.

In un esperimento unico nel suo genere, gli scienziati hanno lasciato cadere atomi di antiidrogeno e li hanno osservati cadere, dimostrando che la gravità attrae l’antimateria verso la Terra, invece di respingerla.

Lo studio conferma un pilastro della teoria generale della relatività di Einstein noto come principio di equivalenza debole. Secondo questo principio, la gravità attira ogni oggetto allo stesso modo, indipendentemente dalla sua composizione. "Questo concetto è al centro della nostra comprensione della gravitazione", afferma il fisico Ruggero Caravita, che non è stato coinvolto nel nuovo lavoro.

L'antimateria è l'immagine speculare della materia, portatrice della carica elettrica opposta ma della stessa massa. L’antiparticella di un elettrone, ad esempio, è una particella carica positivamente chiamata positrone. L’alter ego di un protone è un antiprotone carico negativamente, e così via.

La maggior parte dei fisici non prendeva seriamente in considerazione l’idea che l’antimateria potesse cadere verso l’alto invece che verso il basso, afferma Jeffrey Hangst dell’Università di Aarhus in Danimarca. Ma gli scienziati non erano mai stati in grado di testarlo direttamente prima. "L'antimateria è un po' misteriosa... quindi vogliamo confermare effettivamente questo comportamento", dice Hangst, portavoce della collaborazione Antiidrogen Laser Physics Apparatus, o ALPHA, che ha riportato il nuovo risultato.

Il team ha scoperto che non solo l’antimateria è caduta come previsto, ma è caduta anche con la stessa accelerazione della materia normale.

I risultati, descritti su Nature del 28 settembre, mostrano il crescente controllo degli scienziati sull’antimateria e in particolare sull’antiidrogeno. L’antimateria è una sostanza astuta con cui può essere difficile lavorare. Se tocca qualcosa fatto di materia – le pareti di un contenitore o le molecole d’aria – si annienta rapidamente. Ci sono voluti decenni di lavoro per misurare qualsiasi effetto della gravità sull’antimateria, dice Hangst.

Nell'esperimento, condotto presso il laboratorio europeo CERN vicino a Ginevra, gli scienziati hanno intrappolato gli atomi di antiidrogeno con forti campi magnetici. Questi atomi di antiidrogeno sono stati realizzati mescolando antiprotoni, creati al CERN, con positroni provenienti da una fonte radioattiva.

I ricercatori hanno poi rilasciato l’antiidrogeno dalla sua gabbia magnetica, contando quanti atomi salivano e quanti scendevano. Se la gravità trattasse allo stesso modo l’antimateria e la materia, la maggior parte degli atomi dovrebbe cadere verso il basso, con alcuni che potrebbero volare verso l’alto a causa dei movimenti iniziali degli atomi. Questo è proprio ciò che hanno scoperto i ricercatori.

"È un concetto molto bello, molto chiaro e molto semplice", afferma il fisico teorico Yunhua Ding della Ohio Wesleyan University nel Delaware, Ohio, che non è stato coinvolto nello studio.

Per confermare ulteriormente che l’antiidrogeno si comportava come previsto, i ricercatori hanno alterato i campi magnetici per spingere gli atomi verso l’alto, annullando l’effetto della gravità. In quel test, un numero più o meno uguale di atomi andava su e giù. Anche la variazione ulteriore dei campi magnetici ha soddisfatto le aspettative.

Esperimenti precedenti avevano già suggerito che la gravità tratta la materia e l’antimateria allo stesso modo. Nel 2022, l’esperimento BASE, sempre al CERN, ha riferito che le oscillazioni di antiprotoni confinati hanno confermato indirettamente che materia e antimateria avvertono la stessa attrazione di gravità (SN: 1/5/22). Ma l’esperimento di ALPHA è il primo a osservare direttamente la caduta delle particelle di antimateria.

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L’idea che diversi tipi di oggetti cadano con la stessa accelerazione è di gran lunga anteriore ad Einstein. La leggenda narra che nel XVI secolo Galileo lasciò cadere diversi oggetti dalla Torre Pendente di Pisa per dimostrare questo effetto. Da allora gli scienziati lo hanno testato in una varietà di situazioni, anche con oggetti in orbita attorno alla Terra (SN: 14/9/22). Ma fino ad ora non avevano mai fatto il test con l’antimateria.

Sebbene i fisici non si aspettassero che l’antimateria cadesse verso l’alto, alcuni ricercatori hanno proposto che l’antimateria potesse cadere con un’accelerazione leggermente diversa rispetto alla materia normale. "Se trovassimo anche la più piccola differenza, ciò sarebbe un'indicazione che sta accadendo qualcosa di nuovo", afferma Caravita, dell'Istituto nazionale di fisica nucleare di Trento, Italia, portavoce della collaborazione AEgIS al CERN. AEgIS fa parte di una serie di esperimenti che lavorano anche per misurare l’effetto della gravità sull’antimateria.

L’esperimento attuale non è sufficientemente preciso per individuare queste sottili differenze. Ma nuove tecniche, come il raffreddamento degli atomi di antiidrogeno con i laser, potrebbero rendere i test futuri più precisi (SN: 5/4/21). Ciò potrebbe aiutare gli scienziati a capire, quando si tratta di materia e antimateria, se la gravità è veramente agnostica.

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