Kipiąca, głośna próżnia wypełnia przestrzeń kwantową, zniekształcając kształt każdego atomu wodoru we wszechświecie. A teraz wiemy, że zniekształca również dziwaczny świat antymaterii wodoru: antywodor.
Antymateria jest mało zrozumiałą substancją, rzadką w naszym wszechświecie, która naśladuje materię prawie idealnie, ale ze wszystkimi właściwościami odwróconymi. Na przykład elektrony są drobnymi cząsteczkami materii, które przenoszą ładunek ujemny. Ich bliźniaki antymaterii to maleńkie „pozytony”, które przenoszą ładunek dodatni. Połącz elektron i proton (większą, dodatnio naładowaną cząsteczkę materii), a otrzymasz prosty atom wodoru. Połącz pozyton antymaterii z „antiproton”, a otrzymasz anty-wodór. Kiedy regularna materia i antymateria stykają się, cząstki materii i antymaterii niszczą się nawzajem.
Obecnie antymateria wydaje się być idealnym, antagonistycznym bliźniakiem materii, a jedną z wielkich tajemnic fizyki jest to, dlaczego materia zdominowała przestrzeń, gdy antymateria stała się małym graczem we wszechświecie. Znalezienie pewnej różnicy między nimi może pomóc wyjaśnić strukturę współczesnego wszechświata.
Przesunięcie Baranka było dobrym miejscem do poszukiwania takiej różnicy, powiedział Makoto Fujiwara, kanadyjski fizyk cząstek powiązany z CERN i współautor nowego badania, opublikowanego 19 lutego w czasopiśmie Nature. Fizycy kwantowi wiedzieli o tym dziwnym efekcie kwantowym, nazwanym na cześć fizyka z University of Arizona Willis Lamb, od 1947 r. Na pierwszej dużej powojennej konferencji amerykańskich fizyków Lamb ujawnił, że coś niewidzialnego w atomach wodoru naciska na ich cząstki wewnętrzne, tworząc większą szczelinę między protonem a orbitującym elektronem, niż dopuszczała to istniejąca teoria jądrowa.
„Z grubsza mówiąc, przesunięcie Baranka jest fizyczną manifestacją efektu„ próżni ”,” powiedział Fujiwara Live Science. „Kiedy normalnie myślisz o próżni, myślisz o„ niczym ”. Jednak zgodnie z teorią fizyki kwantowej próżnia jest wypełniona tak zwanymi „wirtualnymi cząsteczkami”, które stale rodzą się i niszczą ”.
Ten niesamowity bąbelek krótkich, pół-rzeczywistych cząstek ma realny wpływ na otaczający wszechświat. A wewnątrz atomów wodoru wytwarza ciśnienie, które oddziela dwie połączone cząsteczki. Nieoczekiwane odkrycie przyniosło Lambowi nagrodę Nobla z 1955 roku w dziedzinie fizyki.
Ale chociaż fizycy od dziesięcioleci wiedzą, że przesunięcie Baranka zmieniło wodór, nie mieli pojęcia, czy wpływa to również na działanie przeciwwodoru.
Fujiwara i jego współautorzy chcieli się dowiedzieć.
„Ogólnym celem naszych badań jest sprawdzenie, czy istnieje jakakolwiek różnica między wodorem i przeciwwodnikiem, i nie wiemy z góry, gdzie taka różnica może się pojawić”, powiedział Fujiwara Live Live.
Aby przestudiować to pytanie, naukowcy starannie zgromadzili próbki antywodoru za pomocą eksperymentu antymaterii w aparacie Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA) w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN), gigantycznym laboratorium fizyki jądrowej na kontynencie. ALPHA potrzebuje kilku godzin, aby wygenerować próbkę anty-wodoru wystarczająco dużą, by z nią pracować, powiedział Fujiwara.
Zawiesza substancję w polach magnetycznych odpychających materię. Następnie naukowcy z ALPHA uderzyli w uwięziony anty-wodór światłem laserowym, aby zbadać, w jaki sposób antymateria wchodzi w interakcję z fotonami, co może ujawnić ukryte właściwości małych antyatomów.
Powtarzając eksperyment kilkanaście razy na różnych próbkach anty-wodoru w różnych warunkach, badacze ALPHA nie stwierdzili żadnej różnicy między przesunięciem Lamb w wodorze a przesunięciem Lamb w anty-wodorze, które ich instrumenty mogą wykryć.
„Obecnie nie ma znanej różnicy między podstawowymi właściwościami przeciwwodnika i zwykłego wodoru”, powiedział Fujiwara. „Jeśli znajdziemy jakąkolwiek różnicę, nawet najmniejszą, wymusi to radykalną zmianę w naszym rozumieniu naszego fizycznego wszechświata”.
Chociaż naukowcy nie znaleźli jeszcze żadnych różnic, fizyka przeciwwodorowa wciąż jest dziedziną młodą. Fizycy nie mieli nawet łatwych badań próbek tego materiału do 2002 r., A ALPHA zaczęła rutynowo łapać próbki wodoru do 2011 r.
Odkrycie to jest „pierwszym krokiem”, powiedziała Fujiwara, ale pozostało jeszcze wiele do zbadania, zanim fizycy naprawdę zrozumieją, jak porównują wodór i przeciwwodnik.
