瑞士日内瓦欧洲核子研究所(CERN)由里肯领导的基地合作组织发现,在实验的不确定性范围内,物质和反物质对重力的反应是相同的,这是一项极其精确地测量质子和反质子的荷质比实验的一部分。
物质和反物质创造了当今物理学中一些最有趣的问题。它们在本质上是等价的,除了当粒子具有正电荷它的反粒子是负的。在其他方面,它们似乎是相同的。然而,今天物理学的一大谜团被称为“重子不对称”,就是尽管它们看起来是等价的,但宇宙似乎完全由物质组成,几乎没有反物质。自然,世界各地的科学家都在努力寻找两者之间的不同之处,这可以解释我们为什么存在。
作为这项探索的一部分,科学家们探索了物质和反物质是否与引力有着相似的相互作用,或者反物质是否会以与物质不同的方式经历重力,这将违反爱因斯坦的弱等效原理。现在,基地合作已经表明,在严格的范围内,反物质确实以与物质相同的方式对重力作出反应。
这项发现发表于自然,实际上来自一个不同的实验,那是检查质子和反质子的电荷质量比,这是另一个可以确定两者之间关键区别的重要测量方法之一。
这项工作包括在欧洲核子研究所反物质工厂工作了18个月。为了进行测量,研究小组将反质子和带负电荷的氢离子限制在潘宁陷阱中,他们用这些离子来代替质子。在这个装置中,粒子遵循一个周期性的轨道,频率接近回旋加速器的频率,这个频率随阱的磁场强度和粒子的电荷质量比而定。通过喂食反质子和带负电氢离子在相同的条件下,他们能够测量两种粒子的回旋频率,比较它们的电荷质量比。据该项目的负责人Stefan Ulmer说,“通过这样做,我们能够得到一个结果,即它们本质上是等价的,比以前的测量精确四倍。对于这种CPT不变性,因果关系和局域性在标准模型的相对论量子场理论中仍然成立。”
有趣的是,研究小组用这些测量来测试一个被称为弱等效原理的基本物理定律。根据这一原则,不同的身体在同一个重力场在没有摩擦力的情况下,也应该承受相同的加速度。由于基础实验是在地球表面进行的,质子和反质子的回旋频率测量是在地球表面的引力场中进行的,质子和反质子的引力相互作用的任何差异都会导致回旋加速器频率的差异。
通过对行星绕太阳公转时地球引力场的取样,科学家们发现物质和反物质对重力的反应是相同的,高达百分之三的程度,这意味着物质和反物质的重力加速度在经历的加速度的97%之内是相同的。
乌尔默补充说,这些测量可能会带来新的物理学。他说,“在这项研究中获得的3%的引力相互作用的准确度,可以与它们之间引力相互作用的精度目标相媲美反物质以及其他研究小组计划用自由下落的反氢原子来测量的物质。如果我们的研究结果与其他小组的结果不同,它可能会导致一个全新的物理学的诞生。"