Antymateria powinna spadać w ziemskim polu grawitacyjnym tak samo jak materia, ale żeby to sprawdzić trzeba najpierw przygotować jej odpowiednio dużo. Zespół GBAR z udziałem fizyków z NCBJ uwięził około 64 mln antyprotonów w niespełna 35 minut. Mają posłużyć do produkcji ultrazimnego antywodoru.

W celu sprawdzenia, jak w polu grawitacyjnym spada zwykły przedmiot, wystarczy go puścić i śledzić jego ruch. Z antymaterią jest trudniej. Schłodzony atom antywodoru po zetknięciu ze ścianą aparatury anihiluje z jej materią. Z kolei gorący i szybki przeleci przez obszar pomiaru, zanim grawitacja zdąży zauważalnie zmienić jego tor. Pomiar siły grawitacji oddziałującej na antymaterię wymaga więc jej wytworzenia, bardzo silnego schłodzenia i uwolnienia w próżni bez nadawania jej przypadkowego ruchu.

Do takiego doświadczenia przygotowuje się działający w CERN eksperyment GBAR. Jego celem jest pomiar przyspieszenia swobodnego spadku ultrazimnego antywodoru i porównanie zachowania materii oraz antymaterii. Badanie ma sprawdzić zasadę równoważności, zgodnie z którą ruch ciała pod wpływem samej grawitacji nie powinien zależeć od jego budowy.

Antywodór składa się z antyprotonu i pozytonu, czyli antycząstki elektronu. W GBAR antyproton ma przelecieć przez chmurę pozytonium – krótkotrwałych układów elektronu i pozytonu – i przechwycić dwa pozytony. Powstanie wtedy dodatnio naładowany jon antywodoru, który można utrzymać w pułapce i chłodzić za pomocą zimnych jonów berylu. Po usunięciu laserem dodatkowego pozytonu pozostanie neutralny, ultrazimny atom antywodoru, gotowy do próby swobodnego spadku.

Na razie naukowcy zajęli się wcześniejszym etapem: przygotowaniem odpowiednio licznej i skupionej wiązki antyprotonów. Pierścień ELENA w fabryce antymaterii w CERN dostarcza je co 110 sekund z energią 100 kiloelektronowoltów. Specjalna rura impulsowa zmniejsza ją do około 3 kiloelektronowoltów. Spowalnianie powoduje jednak rozszerzanie się wiązki, utrudniając skierowanie jej do otworu komory z pozytonium o przekroju zaledwie 1,5 na 2 milimetry.

Rozwiązaniem stała się pułapka Penninga–Malmberga. Pole magnetyczne powstrzymywało antyprotony przed ucieczką na boki, a pola elektryczne zamykały im drogę wzdłuż urządzenia. Cząstki nie dotykały więc materialnych ścian. W pułapce czekała na nie chmura zimnych elektronów, która odbierała im energię podczas oddziaływań elektrycznych. Obracające się pole elektryczne ściskało następnie chmurę antyprotonów, przygotowując wąską wiązkę.

Urządzenie zatrzymywało 56 proc. antyprotonów dostarczanych przez ELENA – około 6,4 mln z każdego impulsu. Zamiast wypuszczać je po jednym cyklu, badacze powtarzali chwytanie, chłodzenie i ściskanie. Po 18 zastrzykach zgromadzili około 64 mln antyprotonów w czasie krótszym niż 35 minut. To rekordowa liczba i około pięć razy więcej niż we wcześniejszych podobnych doświadczeniach.

Po uwolnieniu z pułapki cząstki można było ponownie rozpędzić do energii dochodzącej do 10 kiloelektronowoltów i skupić także w czasie, tworząc krótki impuls. W odrębnych testach transportu około miliona antyprotonów przeszło przez wąską komorę celu. Symulacje przewidują, że po dalszym dostrojeniu układu liczba ta może wzrosnąć do około 3,9 mln. Więcej antyprotonów docierających do pozytonium powinno oznaczać częstsze powstawanie antywodoru.

Wśród grupy badawczej GBAR zajmującej się tym zagadnieniem pracuje fizycy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Świerku. Wyniki opisane zostały w czasopiśmie naukowym Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics (doi: 10.1088/1361-6471/ae7456).

Na razie badacze nie zmierzyli, o ile nowa pułapka rzeczywiście zwiększyła liczbę wytwarzanych atomów antywodoru, a czynniki ograniczające jej maksymalną pojemność nie zostały w pełni poznane. Pokazali jednak, że potrafią zgromadzić rekordowy zapas antyprotonów, schłodzić go, ścisnąć i ponownie wyprowadzić. Kolejnym zadaniem będzie wykorzystanie tej wiązki do produkcji antywodoru oraz przygotowanie go do swobodnego spadku. (PAP)

kmp/ agt/