Naukowcy dokonali najbardziej precyzyjnego pomiaru antymaterii, a wyniki tylko pogłębiają tajemnicę tego, dlaczego życie, wszechświat i wszystko w nim istnieje.
Nowe pomiary pokazują, że z niewiarygodnie wysoką precyzją antymateria i materia zachowują się identycznie.
Jednak te nowe pomiary nie są w stanie odpowiedzieć na jedno z największych pytań w fizyce: Dlaczego, jeśli w Wielkim Wybuchu powstały równe części materii i antymaterii, to czy nasz wszechświat składa się dzisiaj z materii?
Wszechświat w równowadze
Nasz wszechświat opiera się na równowadze przeciwieństw. Dla każdego rodzaju „normalnej” cząstki wykonanej z materii istnieje sprzężona antycząstka o tej samej masie, która wytwarza przeciwny ładunek elektryczny w tym samym czasie. Elektrony mają przeciwne antyelektrony lub pozytony; protony mają antyprotony; i tak dalej.
Kiedy jednak materia i cząstki antymaterii spotykają się, niszczą się nawzajem, pozostawiając jedynie resztki energii. Fizycy twierdzą, że Wielki Wybuch powinien zapewnić równe ilości materii i antymaterii, a każdy z nich zapewniłby sobie wzajemne zniszczenie, pozostawiając wszechświat dziecka pozbawiony elementów życia (lub cokolwiek, naprawdę). A jednak jesteśmy tutaj we wszechświecie zbudowanym prawie w całości z materii.
Ale oto kicker: Nie znamy żadnych pierwotnych antymaterii, które wyszłyby z Wielkiego Wybuchu. Dlaczego więc - skoro antymateria i materia zachowują się w ten sam sposób - jeden rodzaj materii przetrwał Wielki Wybuch, a drugi nie?
Jednym z najlepszych sposobów odpowiedzi na to pytanie jest jak najdokładniejszy pomiar podstawowych właściwości materii i jej koniugatów antymaterii i porównanie tych wyników, powiedział Stefan Ulmer, fizyk z Riken w Wako w Japonii, który nie był zaangażowany w nowe Badania. Jeśli istnieje niewielkie odchylenie między właściwościami materii a skorelowanymi właściwościami antymaterii, może to być pierwsza wskazówka do rozwiązania największej fizyki. (W 2017 r. Naukowcy odkryli niewielkie różnice w zachowaniu niektórych partnerów antymaterii, ale wyniki nie były wystarczająco silne statystycznie, aby uznać je za odkrycie).
Ale jeśli naukowcy chcą manipulować antymaterią, muszą to zrobić z wielką starannością. W ostatnich latach niektórzy fizycy zajęli się badaniem anty-wodoru lub jego antymaterii, ponieważ wodór jest „jedną z rzeczy, które najlepiej rozumiemy we wszechświecie”, współautor Jeffrey Hangst, fizyk z Uniwersytetu Aarhus w Danii, powiedział Live Science . Wytwarzanie antywodoru zazwyczaj wymaga zmieszania 90 000 antyprotonów z 3 milionami pozytonów, aby wytworzyć 50 000 atomów przeciwwodoru, z których tylko 20 jest złapanych magnesami w cylindrycznej rurce o długości 11 cali (28 centymetrów) do dalszych badań.
Teraz, w nowym badaniu opublikowanym dzisiaj (4 kwietnia) w czasopiśmie Nature, zespół Hangsta osiągnął niespotykany dotąd standard: do tej pory dokonali najbardziej precyzyjnego pomiaru anty-wodoru - lub dowolnego rodzaju antymaterii. W 15 000 atomach przeciwwodnika (przypuszczam, że wykonując wspomniany proces mieszania około 750 razy), badali częstotliwość światła, które emitują lub absorbują atomy, kiedy skaczą ze stanu niższej energii do wyższej.
Pomiary naukowców wykazały, że poziomy energii atomów przeciwwodnych oraz ilość pochłoniętego światła zgadzały się z ich odpowiednikami wodorowymi, z dokładnością do 2 części na bilion, znacznie poprawiając się w stosunku do poprzedniej precyzji pomiaru rzędu części na miliard.
„To bardzo rzadkie, że eksperymentatorom udaje się zwiększyć precyzję 100-krotnie”, Ulmer powiedział Live Science. Uważa, że jeśli zespół Hangsta będzie kontynuował pracę przez dodatkowe 10 do 20 lat, będzie w stanie zwiększyć poziom precyzji spektroskopii wodoru o kolejny współczynnik 1000.
Dla Hangsta - rzecznika współpracy ALPHA w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN), która przyniosła te wyniki - osiągnięcie to trwało dekady.
Hangst powiedział, że chwytanie i trzymanie antymaterii było dużym wyczynem.
„Dwadzieścia lat temu ludzie myśleli, że to nigdy się nie wydarzy” - powiedział. „To eksperymentalna wycieczka, która w ogóle jest w stanie to zrobić”.
Nowe wyniki są bardzo imponujące, powiedział Michael Live, fizyk z CERN, który nie był zaangażowany w pracę, powiedział Live Science w e-mailu.
„Liczba uwięzionych atomów dla tego pomiaru (15 000) jest ogromną poprawą w porównaniu z własnymi zapisami sprzed kilku lat”, powiedział Doser.
Co więc mówi nam najbardziej precyzyjny pomiar antymaterii? Cóż, niestety, niewiele więcej niż wiemy. Zgodnie z oczekiwaniami wodór i przeciwwodór - materia i antymateria - zachowują się identycznie. Teraz wiemy tylko, że są identyczne przy pomiarze części na bilion. Jednak Ulmer powiedział, że pomiar 2 części na bilion nie wyklucza możliwości, że coś różni się między tymi dwoma rodzajami materii z jeszcze większą precyzją, która do tej pory była niezgodna z pomiarem.
Co do Hangsta, mniej zależy mu na odpowiedzi na pytanie, dlaczego nasz wszechświat materii istnieje tak, jak bez antymaterii - co nazywa „słoniem w pokoju”. Zamiast tego on i jego grupa chcą skoncentrować się na wykonywaniu jeszcze bardziej precyzyjnych pomiarów i badaniu, w jaki sposób antymateria reaguje na grawitację - czy spada jak normalna materia, czy może spada?
A Hangst uważa, że tajemnicę można rozwiązać przed końcem 2018 r., Kiedy CERN zostanie zamknięty na dwa lata z powodu aktualizacji. „Mamy inne sztuczki w zanadrzu” - powiedział. "Bądźcie czujni."
