لقد أثارت المادة المضادة اهتمام وحير علماء الفيزياء لما يقرب من قرن من الزمان، وكان تأثير الجاذبية عليها نقطة خلاف. قد يحل بحث جديد هذا الجدل من خلال اكتشاف أن ذرات الهيدروجين المضاد (نظير المادة المضادة للهيدروجين) تتأثر بالجاذبية بنفس الطريقة التي تتأثر بها نظيراتها من المادة، مما يستبعد إمكانية وجود "جاذبية مضادة" مثيرة للاشمئزاز.
في القرن السابع عشر، توصل إسحاق نيوتن إلى نظريته عن الجاذبية بعد مشاهدة تفاحة تسقط من الشجرة. وبعد عدة قرون، اقترح ألبرت أينشتاين نظريته النسبية العامة، والتي تظل الوصف الأكثر نجاحًا وقابلية للاختبار للجاذبية. ومع ذلك، فإن المادة المضادة لم تكن معروفة لدى أينشتاين.
في عام 1928، اقترح الفيزيائي البريطاني بول ديراك نظرية مفادها أن كل جسيم لديه جسيم مضاد مناظر، وتنبأ بوجود البوزيترونات (أو الإلكترونات المضادة). منذ ذلك الحين، كان هناك الكثير من التكهنات حول التفاعل بين الجاذبية والمادة المضادة، حيث اقترح البعض أن المادة المضادة تتنافر مع الجاذبية، بينما اقترح آخرون أنها تنجذب بواسطة الجاذبية.
ربما تكون دراسة جديدة أجراها مرفق فيزياء الليزر المضاد للهيدروجين (ALPHA) التابع لـ CERN قد حسمت هذا النقاش، حيث وجدت أن ذرات الهيدروجين المضاد (نظير المادة المضادة للهيدروجين) تسقط على الأرض بنفس الطريقة التي تسقط بها نظيراتها من المادة.
قال جيفري هانجست، المؤلف المقابل للدراسة: "في الفيزياء، لا يمكنك فهم شيء ما حقًا إلا من خلال مراقبته. هذه هي أول تجربة تراقب بشكل مباشر تأثير الجاذبية على حركة المادة المضادة. يعد هذا علامة فارقة في دراسة المادة المضادة، التي لا تزال تحيرنا بسبب غيابها الواضح في الكون".
تتضمن تجربة ألفا إنشاء واحتجاز ودراسة ذرات الهيدروجين المضاد في مصيدة. ذرات الهيدروجين المضاد هي جسيمات المادة المضادة محايدة كهربائيًا ومستقرة، مما يجعلها مثالية لدراسة سلوك الجاذبية للمادة المضادة. يتكون الهيدروجين المضاد من جسيمين مضادين، البروتونات المضادة والبوزيترونات. البروتون المضاد هو جسيم دون ذري له نفس كتلة البروتون ولكن بشحنة سالبة.
قام فريق ALPHA مؤخرًا ببناء أداة عمودية تسمى ALPHA-g، حيث يمثل "g" التسارع المحلي للجاذبية، والذي يبلغ بالنسبة للمادة 32.2 قدمًا في الثانية (9.81 مترًا في الثانية). يمكن لـ ALPHA-g قياس الموقع الرأسي لذرات الهيدروجين المضاد أثناء التقاءها بالمادة المقابلة لها - وهي عملية تُعرف باسم الإبادة - وتهرب الذرات بمجرد إيقاف المجال المغناطيسي للمصيدة.
التقط الباحثون مجموعة مكونة من حوالي 100 ذرة هيدروجين مضاد في المرة الواحدة. ثم أطلقوا الذرات ببطء لمدة 20 ثانية عن طريق تقليل التيار تدريجيًا في مغناطيسات المصيدة العلوية والسفلية. وتوقعت عمليات المحاكاة الحاسوبية أن 20% من الذرات سيتم إطلاقها من أعلى المصيدة و80% من أسفلها، وهو اختلاف ناجم عن التأثير الهبوطي للجاذبية. قام الباحثون بحساب متوسط النتائج من سبع تجارب إطلاق ووجدوا أن نسبة الذرات المضادة المتدفقة من الأعلى إلى الأسفل كانت متسقة مع عمليات المحاكاة. أي أن ذرات الهيدروجين المضاد تسقط بنفس الطريقة التي تسقط بها ذرات الهيدروجين تحت 1 جرام (أي الجاذبية الطبيعية).
وباستخدام أداة ALPHA-g، أعاد الباحثون إنشاء تجربة الجاذبية الشهيرة لجاليليو بشكل فعال. وفقا للأسطورة، قام العالم الإيطالي بإسقاط كرات حديدية ذات أوزان مختلفة من أعلى برج بيزا المائل، واصطدمت جميعها بالأرض في نفس الوقت، مما يدل على أن الجاذبية تسببت في سقوط أجسام ذات كتل مختلفة بنفس التسارع.
ويقول الباحثون إن النتائج التي توصلوا إليها تستبعد احتمالية وجود "جاذبية مضادة" مثيرة للاشمئزاز، لكن الدراسة الحالية تمثل مجرد بداية لدراسة مفصلة ومباشرة لخصائص الجاذبية للمادة المضادة.
وقال هانجست: "لقد استغرقنا 30 عامًا لنتعلم كيفية صنع هذه الذرة المضادة، وكيفية الاستيلاء عليها، وكيفية التحكم فيها جيدًا بما يكفي حتى نتمكن من إسقاطها بطريقة تجعلها حساسة للجاذبية". "الخطوة التالية هي قياس التسارع بأكبر قدر ممكن من الدقة. نريد اختبار ما إذا كانت المادة والمادة المضادة يسقطان بالفعل بنفس الطريقة."
ونشر البحث في مجلة الطبيعة. في الفيديو التالي الذي أنتجته CERN، يشرح جيفري هانغست كيفية عمل ALPHA-g، وأسباب ونتائج تجربة جاذبية المادة المضادة.