Measurement of Earth's gravitational acceleration on anti-hydrogen with the ALPHA experiment at CERN

Although the gravitational interaction between matter and antimatter has been the subject of theoretical speculation since the discovery of the latter in 1928, only recently, for the first time, the ALPHA experiment at CERN (Anti-hydrogen Laser PHysics Apparatus) was able to observe the effects of gravity on antimatter atoms, namely on anti-hydrogen. This measurement is a test of the weak equivalence principle (WEP), a fundamental principle of Einstein's general theory of relativity, stating that all masses react identically to gravity, independent of their internal structure. In order to measure the gravitational acceleration on anti-hydrogen, anti-hydrogen atoms were magnetically confined in the ALPHA apparatus and released under a combined effect of gravitational and magnetic forces. The analysis of the acquired data is based on the construction of a likelihood of the annihilation vertex positions produced when the confining magnetic fields are lowered and the anti-hydrogen atoms are released. The relevant parameter of this likelihood is the asymmetry between the number of anti-atoms escaping upwards and the number of anti-atoms escaping downwards with respect to the center of the electromagnetic trap. The gravitational acceleration parameter is obtained from a regression on the data using a model obtained from a simulation of the anti-hydrogen motion in the experiment. This work includes the estimation of the statistical uncertainties and the treatment of the systematic uncertainty sources. The analysis results reveal that anti-hydrogen atoms behave in a way that is consistent with gravitational attraction between anti-hydrogen and the Earth. This experiment sets the path for further research on the gravitational acceleration between anti-atoms and the Earth for WEP testing.

Sebbene l'interazione gravitazionale tra materia e antimateria sia stata oggetto di speculazione teorica sin dalla scoperta di quest'ultima nel 1928, solo recentemente, per la prima volta, l'esperimento ALPHA al CERN (Anti-hydrogen Laser physics Apparatus) è stato in grado di osservare gli effetti della gravità sugli atomi di antimateria, in particolare sull'anti-idrogeno. Questa misura è un test del principio di equivalenza debole (WEP), un principio fondamentale della teoria della relatività generale di Einstein, che afferma che tutte le masse reagiscono in modo identico alla gravità, indipendentemente dalla loro struttura interna. Per misurare l'accelerazione gravitazionale sull'anti-idrogeno, gli anti-atomi sono stati confinati magneticamente nell'apparato sperimentale di ALPHA e rilasciati sotto un effetto combinato di forze gravitazionali e magnetiche. L'analisi dei dati acquisiti si basa sulla costruzione di una likelihood delle posizioni dei vertici di annichilazione prodotti quando i campi magnetici per il confinamento vengono ridotti e gli atomi di anti-idrogeno escono dalla trappola. Il parametro rilevante di questa likelihood è l'asimmetria tra il numero di anti-atomi rilasciati verso l'alto e il numero di anti-atomi rilasciati verso il basso rispetto al centro della trappola elettromagnetica. Successivamente il parametro dell'accelerazione gravitazionale è ottenuto da una regressione sui dati eseguita utilizzando un modello ricavato dalla simulazione numerica del moto degli anti-atomi nell'esperimento. Questo lavoro comprende la stima delle incertezze statistiche e il trattamento delle incertezze sistematiche. I risultati dell'analisi rivelano che gli atomi di anti-idrogeno si comportano in modo compatibile con l'attrazione gravitazionale tra anti-idrogeno e Terra. Questo esperimento apre la strada a ulteriori ricerche sull'accelerazione gravitazionale terrestre su anti-atomi per effettuare test più precisi del principio di equivalenza debole.