物质和反物质似乎对引力的反应是一样的

诸平

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Test of the weak equivalence principle

据日本理化研究所（RIKEN）2022年1月6日提供的消息，由RIKEN领导，德国汉诺威莱布尼茨大学（Leibniz Universität Hannover, Germany）、德国联邦物理技术研究院（Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig, Germany）、德国马普核物理研究所（Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg, Germany）、德国美因茨约翰内斯•古登堡大学（Johannes Gutenberg-Universität, Mainz, Germany）、德国超重离子研究中心（GSI-Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt, Germany），瑞士欧洲核子研究委员会（CERN, Meyrin, Switzerland）以及日本东京大学（University of Tokyo, Japan）参与的一项测量质子和反质子电荷质量比实验的一部分，跨国合作小组发现，在实验的不确定性范围内，物质和反物质对重力的反应方式是相同的（Matter and antimatter seem to respond equally to gravity）。

物质和反物质创造了当今物理学中一些最有趣的问题。它们本质上是相等的，除了一个粒子带正电荷，它的反粒子带负电荷。在其他方面，它们似乎是同等的。然而，当今物理学的一大谜团，被称为“重子不对称（baryon asymmetry）”，是尽管它们看起来是一样的，但宇宙似乎完全由物质组成，只有很少的反物质。理所当然，世界各地的科学家都在努力寻找两者之间的不同之处，以解释我们为什么如此存在的原因。

作为这项探索的一部分，科学家们已经探索了物质和反物质是否与引力类似地相互作用，或者反物质是否会以不同于物质的方式体验引力，这将违反爱因斯坦的弱等效原理（Einstein's weak equivalence principle）。现在，BASE的合作已经表明，在严格的范围内，反物质对重力的反应和物质是一样的。相关研究结果于2022年1月5日已经在《自然》（Nature）杂志网站发表——M. J. Borchert, J. A. Devlin, S. R. Erlewein, M. Fleck, J. A. Harrington, T. Higuchi, B. M. Latacz, F. Voelksen, E. J. Wursten, F. Abbass, M. A. Bohman, A. H. Mooser, D. Popper, M. Wiesinger, C. Will, K. Blaum, Y. Matsuda, C. Ospelkaus, W. Quint, J. Walz, Y. Yamazaki, C. Smorra, S. Ulmer. A 16-parts-per-trillion measurement of the antiproton-to-proton charge–mass ratio. Nature, 2022, 601: 53–57. DOI: 10.1038/s41586-021-04203-w. Published: 05 January 2022. https://www.nature.com/articles/s41586-021-04203-w

发表在《自然》杂志上的这一发现实际上来自另一项实验，该实验检验了质子和反质子的电荷质量比，这是可以确定两者之间关键差异的其它重要测量之一。

这项工作在CERN的反物质工厂进行了18个月的研究。为了进行测量，研究小组将反质子和带负电荷的氢离子(他们用它们作为质子的替代品)限制在一个潘宁阱（Penning trap见上图）中。在这个装置中，粒子以接近回旋频率的周期轨迹运动，该频率与陷阱的磁场强度和粒子的电荷质量比成正比。通过将反质子和带负电荷的氢离子一次注入陷阱，他们能够在相同的条件下测量这两种粒子的回旋频率，并比较它们的电荷质量比。该项目的负责人斯蒂芬·乌尔默(Stefan Ulmer)表示:“通过这样做，我们能够得到一个结果，即它们在本质上是相同的，比以前的测量方法精确了四倍。在这个CPT不变性的层面上，因果性和局部性在标准模型的相对论量子场论中是成立的。”

有趣的是，该小组利用这些测量数据来测试一个被称为弱等效原理的基本物理定律。根据这一原理，在相同引力场中的不同物体，在没有摩擦力的情况下，其加速度应该是相同的。由于BASE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重力场中进行的，质子和反质子的引力相互作用的任何不同都会导致回旋频率的不同。

通过采样地球绕太阳运行时的重力场, 科学家们发现，物质和反物质对重力的反应是相同的，其程度为3%, 这意味着物质和反物质的重力加速度，在所经历加速度的97%范围内是相同的。

斯蒂芬·乌尔默补充说，这些测量可能会导致新的物理学。他说:“这项研究中获得的重力相互作用3%的精度，与其他研究小组计划用自由落体反氢原子测量反物质和物质之间的重力相互作用的精度目标相当。如果我们的研究结果与其他研究小组的不同，这可能会导致一种全新物理学的诞生。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

反物質と太陽の重力相互作用

Abstract

The standard model of particle physics is both incredibly successful and glaringly incomplete. Among the questions left open is the striking imbalance of matter and antimatter in the observable universe¹, which inspires experiments to compare the fundamental properties of matter/antimatter conjugates with high precision^2,3,4,5. Our experiments deal with direct investigations of the fundamental properties of protons and antiprotons, performing spectroscopy in advanced cryogenic Penning trap systems⁶. For instance, we previously compared the proton/antiproton magnetic moments with 1.5 parts per billion fractional precision^7,8, which improved upon previous best measurements⁹ by a factor of greater than 3,000. Here we report on a new comparison of the proton/antiproton charge-to-mass ratios with a fractional uncertainty of 16 parts per trillion. Our result is based on the combination of four independent long-term studies, recorded in a total time span of 1.5 years. We use different measurement methods and experimental set-ups incorporating different systematic effects. The final result,

,

is consistent with the fundamental charge–parity–time reversal invariance, and improves the precision of our previous best measurement⁶ by a factor of 4.3. The measurement tests the standard model at an energy scale of 1.96 × 10⁻²⁷ gigaelectronvolts (confidence level 0.68), and improves ten coefficients of the standard model extension¹⁰. Our cyclotron clock study also constrains hypothetical interactions mediating violations of the clock weak equivalence principle (WEP_cc) for antimatter to less than 1.8 × 10⁻⁷, and enables the first differential test of the WEP_cc using antiprotons¹¹. From this interpretation we constrain the differential WEP_cc-violating coefficient to less than 0.030.