Od czasu zaproponowania istnienia antymaterii na początku XX wieku naukowcy starali się zrozumieć, w jaki sposób odnosi się do normalnej materii i dlaczego istnieje widoczna nierównowaga między nimi we Wszechświecie. Aby to zrobić, badania fizyki cząstek elementarnych w ciągu ostatnich kilku dekad koncentrowały się na antycząsteczce najbardziej elementarnego i najliczniejszego atomu we Wszechświecie - cząstce przeciwwodorowej.
Do niedawna było to bardzo trudne, ponieważ naukowcy byli w stanie wyprodukować antywodornik, ale nie byli w stanie go badać na długo przed jego anihilacją. Ale według ostatnich badań opublikowanych w Natura, zespół wykorzystujący eksperyment ALPHA był w stanie uzyskać pierwszą informację spektralną na temat anty-wodoru. Osiągnięcie, które trwało 20 lat, może otworzyć zupełnie nową erę badań nad antymaterią.
Pomiar, w jaki sposób elementy absorbują lub emitują światło - tj. Spektroskopia - jest ważnym aspektem fizyki, chemii i astronomii. Nie tylko pozwala naukowcom scharakteryzować atomy i cząsteczki, ale także pozwala astrofizykom określić skład odległych gwiazd poprzez analizę spektrum emitowanego przez nie światła.
W przeszłości przeprowadzono wiele badań widma wodoru, który stanowi około 75% całej masy barionowej we Wszechświecie. Odgrywały one istotną rolę w naszym rozumieniu materii, energii i ewolucji wielu dyscyplin naukowych. Ale do niedawna badanie spektrum jego antycząstek było niezwykle trudne.
Po pierwsze, wymaga, aby cząsteczki tworzące przeciwwodnik - antyprotony i pozytony (antyelektrony) - zostały wychwycone i schłodzone, aby mogły się ze sobą połączyć. Ponadto konieczne jest utrzymanie tych cząstek wystarczająco długo, aby obserwować ich zachowanie, zanim nieuchronnie zetkną się z normalną materią i unicestwią.
Na szczęście w ostatnich dziesięcioleciach nastąpił rozwój technologii do tego stopnia, że badania nad antymaterią są teraz możliwe, dając naukowcom możliwość wnioskowania, czy fizyka stojąca za antymaterią jest zgodna z modelem standardowym, czy też wykracza poza niego. Jak wskazał w swoich badaniach zespół badawczy CERN - kierowany przez dr Ahmadi z Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Liverpoolu:
„Model standardowy przewiduje, że po Wielkim Wybuchu pierwotny Wszechświat powinien mieć równe ilości materii i antymaterii, ale obserwuje się, że dzisiejszy Wszechświat składa się prawie wyłącznie ze zwykłej materii. To motywuje fizyków do uważnego przestudiowania antymaterii i sprawdzenia, czy istnieje niewielka asymetria w prawach fizyki rządzących dwoma rodzajami materii. ”
Począwszy od 1996 r., Badania te przeprowadzono przy użyciu eksperymentu AnTiHydrogEN Apparatus (ATHENA), będącego częścią obiektu CERN Antiproton Decelerator. Eksperyment ten był odpowiedzialny za przechwytywanie antyprotonów i pozytonów, a następnie schładzanie ich do punktu, w którym mogą się łączyć w celu utworzenia anitrogenu. Od 2005 r. Zadanie to stało się obowiązkiem następcy ATHENY, eksperymentu ALPHA.
Korzystając ze zaktualizowanych instrumentów, ALPHA wychwytuje atomy neutralnego antywodoru i utrzymuje je przez dłuższy czas, zanim nieuchronnie unicestwi. W tym czasie zespoły badawcze przeprowadzają analizę spektrograficzną za pomocą lasera ultrafioletowego ALPHA, aby sprawdzić, czy atomy spełniają te same prawa co atomy wodoru. Jak wyjaśnił Jeffrey Hangst, rzecznik współpracy ALPHA w aktualizacji CERN:
„Używanie lasera do obserwowania przejścia w przeciwwodzie i porównywanie go z wodorem, aby sprawdzić, czy przestrzegają tych samych praw fizyki, zawsze było kluczowym celem badań antymaterii… Przenoszenie i zatrzymywanie antyprotonów lub pozytronów jest łatwe, ponieważ są naładowanymi cząsteczkami. Ale kiedy połączysz te dwa, otrzymasz neutralny anty-wodór, który jest znacznie trudniejszy do wychwycenia, dlatego zaprojektowaliśmy bardzo specjalną pułapkę magnetyczną, która opiera się na fakcie, że anty-wodór jest trochę magnetyczny. ”
W ten sposób zespół badawczy był w stanie zmierzyć częstotliwość światła potrzebną do przejścia pozytronu z najniższego poziomu energii do następnego. Okazało się, że (w granicach eksperymentalnych) nie było różnicy między danymi widmowymi przeciwwodoru i wodorem. Wyniki te są eksperymentalne jako pierwsze, ponieważ są to pierwsze obserwacje spektralne atomu przeciwwodoru.
Oprócz umożliwienia porównań materii i antymaterii po raz pierwszy, wyniki te pokazują, że zachowanie antymaterii - względem jej cech spektrograficznych - jest zgodne z modelem standardowym. W szczególności są one zgodne z tak zwaną symetrią Charge-Parity-Time (CPT).
Ta teoria symetrii, która ma fundamentalne znaczenie dla ustalonej fizyki, przewiduje, że poziomy energii w materii i antymaterii będą takie same. Jak wyjaśnił zespół w swoim badaniu:
„Przeprowadziliśmy pierwszy pomiar spektroskopii laserowej na atomie antymaterii. Jest to od dawna poszukiwane osiągnięcie w niskoenergetycznej fizyce antymaterii. Jest to punkt zwrotny od eksperymentów opartych na zasadzie zasady do poważnych pomiarów metrologicznych i precyzyjnych porównań CPT z wykorzystaniem spektrum optycznego antyatomu. Obecny wynik… pokazuje, że testy podstawowych symetrii z antymaterią w AD szybko się rozwijają. ”
Innymi słowy, potwierdzenie, że materia i antymateria mają podobne właściwości widmowe, jest kolejną oznaką podtrzymania Modelu Standardowego - podobnie jak odkrycie Higgsa Bosona w 2012 roku. Wykazał również skuteczność eksperymentu ALPHA w wychwytywaniu cząstek antymaterii, co przyniesie korzyści innym eksperymentom z przeciwwodnikiem.
Oczywiście naukowcy z CERN byli bardzo podekscytowani tym odkryciem i oczekuje się, że będzie to miało drastyczne konsekwencje. Oczekuje się, że oprócz zaoferowania nowych środków testowania Modelu Standardowego, naukowcy będą w stanie zrozumieć, dlaczego we wszechświecie występuje nierównowaga materii i antymaterii. Kolejny ważny krok w odkryciu, jak dokładnie powstał wszechświat, jaki znamy.
