Phản vật chất đã khiến các nhà vật lý tò mò và bối rối trong gần một thế kỷ, và tác dụng của lực hấp dẫn lên nó là một điểm gây tranh cãi. Nghiên cứu mới có thể giải quyết cuộc tranh luận này bằng cách phát hiện ra rằng các nguyên tử phản hydro (đối tác phản vật chất của hydro) bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn giống như đối tác vật chất của chúng, loại trừ khả năng xảy ra "phản hấp dẫn" lực đẩy.


Vào thế kỷ XVII, Isaac Newton đã đề xuất lý thuyết về lực hấp dẫn phổ quát của mình sau khi quan sát một quả táo rơi từ trên cây xuống. Nhiều thế kỷ sau, Albert Einstein đã đề xuất thuyết tương đối tổng quát của mình, đây vẫn là mô tả thành công và có thể kiểm chứng nhất về lực hấp dẫn. Tuy nhiên, phản vật chất chưa được Einstein biết đến.

Năm 1928, nhà vật lý người Anh Paul Dirac đã đề xuất một lý thuyết cho rằng mọi hạt đều có một phản hạt tương ứng và dự đoán sự tồn tại của positron (hoặc phản electron). Kể từ đó, đã có nhiều suy đoán về sự tương tác giữa lực hấp dẫn và phản vật chất, một số cho rằng phản vật chất bị lực hấp dẫn đẩy lùi và một số khác cho rằng nó bị hấp dẫn.

Một nghiên cứu mới từ cơ sở hợp tác Cơ sở vật lý Laser phản hydro (ALPHA) của CERN có thể đã giải quyết được cuộc tranh luận đó, khi phát hiện ra rằng các nguyên tử phản hydro (đối tác phản vật chất của hydro) rơi xuống Trái đất theo cách giống như đối tác vật chất của chúng.

Jeffrey Hangst, tác giả tương ứng của nghiên cứu này, cho biết: "Trong vật lý, bạn chỉ có thể thực sự hiểu được điều gì đó thông qua quan sát. Đây là quan sát trực tiếp đầu tiên về tác động của trọng lực lên chuyển động của phản vật chất. Một thí nghiệm mang tính bước ngoặt trong nghiên cứu về phản vật chất, thứ vẫn còn lẩn tránh chúng ta do sự vắng mặt rõ ràng của nó trong vũ trụ."

ALPHA thí nghiệm liên quan đến việc tạo, thu giữ và nghiên cứu các nguyên tử phản hydro trong một thiết bị thu giữ. Các nguyên tử phản hydro là các hạt phản vật chất trung hòa về điện và ổn định, khiến chúng trở nên lý tưởng để nghiên cứu hành vi hấp dẫn của phản vật chất. Phản hydro bao gồm hai phản hạt là phản proton và positron. Phản proton là một hạt hạ nguyên tử có cùng khối lượng với proton nhưng mang điện tích âm.

Nhóm của ALPHA gần đây đã chế tạo một thiết bị thẳng đứng có tên ALPHA-g, trong đó "g" biểu thị gia tốc cục bộ của trọng lực, mà đối với vật chất là 32,2 ft/s2 (9,81 m/s2). ALPHA-g có thể đo vị trí thẳng đứng của các nguyên tử phản hydro khi chúng gặp vật chất tương ứng – một quá trình được gọi là sự hủy diệt – và các nguyên tử thoát ra khi từ trường của bẫy bị tắt.

Các nhà nghiên cứu đã thu được một nhóm khoảng 100 nguyên tử phản hydro cùng một lúc. Sau đó, họ từ từ giải phóng các nguyên tử trong vòng 20 giây bằng cách giảm dần dòng điện ở nam châm bẫy trên và dưới. Các mô phỏng máy tính dự đoán rằng 20% ​​nguyên tử sẽ được giải phóng khỏi đỉnh bẫy và 80% nguyên tử sẽ thoát ra từ đáy bẫy, một sự khác biệt gây ra bởi tác động hướng xuống của trọng lực. Các nhà nghiên cứu đã tính trung bình các kết quả từ bảy thí nghiệm giải phóng và nhận thấy rằng tỷ lệ phản nguyên tử chảy từ trên xuống dưới phù hợp với mô phỏng. Nghĩa là, các nguyên tử phản hydro rơi theo cách tương tự như các nguyên tử hydro rơi xuống dưới 1 gram (tức là trọng lực bình thường).

Sử dụng thiết bị ALPHA-g, các nhà nghiên cứu đã tái tạo một cách hiệu quả thí nghiệm trọng lực nổi tiếng của Galileo. Theo truyền thuyết, nhà khoa học người Ý đã thả những quả bóng sắt có trọng lượng khác nhau từ đỉnh Tháp nghiêng Pisa xuống và chúng đều chạm đất cùng lúc, chứng tỏ rằng trọng lực khiến các vật thể có khối lượng khác nhau rơi với cùng một gia tốc.

Các nhà nghiên cứu cho biết phát hiện của họ loại trừ khả năng xảy ra "phản hấp dẫn" đẩy, nhưng nghiên cứu hiện tại đánh dấu sự khởi đầu của các nghiên cứu chi tiết, trực tiếp về đặc tính hấp dẫn của phản vật chất.

Hangst nói: “Chúng tôi đã mất 30 năm để học cách tạo ra phản nguyên tử này, cách nắm lấy nó và cách kiểm soát nó tốt đến mức chúng tôi thực sự có thể thả nó xuống theo cách khiến nó nhạy cảm với trọng lực”. "Bước tiếp theo là đo gia tốc chính xác nhất có thể. Chúng tôi muốn kiểm tra vật chất và phản vật chất." Liệu vật chất có thực sự rơi theo cách tương tự? "

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature. Trong video sau do CERN sản xuất, Jeffrey Hangst giải thích cách hoạt động của ALPHA-g, nguyên nhân và kết quả của thí nghiệm hấp dẫn phản vật chất.