Et boblende, voldsomt vakuum fyller kvanteområdet og forvrenger formen til hvert hydrogenatom i universet. Og nå vet vi at det også forvrenger hydrogens bizarro-verden antimattertvilling: antihydrogen.
Antimaterie er et lite forstått stoff, sjeldent i vårt univers, som etterligner nesten perfekt, men med alle egenskapene snudd rundt. For eksempel er elektroner små partikler som har negativ ladning. Deres antimaterielle tvillinger er små "positroner" som har en positiv ladning. Kombiner et elektron og et proton (en større, positivt ladet materiepartikkel), så får du et enkelt hydrogenatom. Kombiner et antimateriell positron med et "antiproton", så får du antihydrogen. Når vanlig materie og antimateriell berøring, ødelegger saken og antimaterielle partikler hverandre.
For øyeblikket ser antimaterie ut til å være den perfekte, antagonistiske tvilling av materie, og et av fysikkens store mysterier er grunnen til at materien kom til å dominere verdensrommet ettersom antimaterien ble litt spiller i universet. Å finne en viss forskjell mellom de to kan bidra til å forklare strukturen i det moderne universet.
Lammeskiftet var et bra sted å lete etter den slags forskjell, sa Makoto Fujiwara, en kanadisk partikkelfysiker tilknyttet CERN og medforfatter av den nye studien, publisert 19. februar i tidsskriftet Nature. Kvantefysikere har kjent til denne merkelige kvanteeffekten, oppkalt etter University of Arizona-fysiker Willis Lamb, siden 1947. På den første store konferansen etter amerikanske fysikere, avslørte Lamb at noe usett i hydrogenatomer presser på deres indre partikler, og skaper et større gap mellom protonet og omløpende elektron enn eksisterende kjerneteori tillot.
"Grovt sett er lammeskiftet en fysisk manifestasjon av effekten av 'vakuumet'," sa Fujiwara til Live Science. "Når du normalt tenker på vakuumet, tenker du på 'ingenting.' Imidlertid er vakuumet i følge kvantefysikkens teori fylt med de såkalte 'virtuelle partiklene', som stadig blir født og ødelagt. "
Den uhyggelige boblingen av korte, halv-ekte partikler har virkelig innvirkning på det omkringliggende universet. Og inne i hydrogenatomer skaper det et trykk som skiller de to sammenkoblede partiklene. Den uventede oppdagelsen vant Lamb Nobelprisen i fysikk fra 1955.
Men mens fysikere i flere tiår har visst at Lammeskiftet endret hydrogen, hadde de ingen anelse om det også påvirket antihydrogen.
Fujiwara og hans coauthors ønsket å finne ut av det.
Fujiwara sa til Live Science: "Det overordnede målet med våre studier er å se om det er noen forskjell mellom hydrogen og antihydrogen, og vi vet ikke på forhånd hvor en slik forskjell kan dukke opp.
For å studere spørsmålet, samlet forskerne nøye prøver av antihydrogen ved bruk av Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA) antimaterieeksperiment ved European Organization for Nuclear Research (CERN), kontinentets gigantiske kjernefysiske laboratorium. Det tar noen timer å generere en antihydrogenprøve som er stor nok til å jobbe med, sa Fujiwara.
Den suspenderer stoffet i magnetiske felt som avviser materie. ALPHA-forskere traff deretter det fangede antihydrogenet med laserlys for å studere hvordan antimaterialet samvirker med fotonene, noe som kan avsløre skjulte egenskaper for de små anti-atomene.
Etter å ha gjentatt eksperimentet et titalls ganger på forskjellige antihydrogenprøver under forskjellige forhold, fant ALPHA-forskerne ingen forskjell mellom Lammeskiftet i hydrogen og Lammeskiftet i antihydrogen som instrumentene deres kunne oppdage.
"For tiden er det ingen kjent forskjell mellom de grunnleggende egenskapene til antihydrogen og vanlig hydrogen," sa Fujiwara. "Hvis vi finner noen forskjell, til og med den minste mengden, vil det tvinge en radikal endring i måten vi forstår vårt fysiske univers på."
Selv om forskerne ikke har funnet noen forskjeller ennå, er antihydrogenfysikk fortsatt et ungt felt. Fysikere hadde ikke engang noen enkelt studerte prøver av tingene før i 2002, og ALPHA begynte ikke rutinemessig å fange opp hydrogenprøver før i 2011.
Denne oppdagelsen er et "første skritt," sa Fujiwara, men det er fortsatt mye mer igjen å studere før fysikere virkelig vil forstå hvordan hydrogen og antihydrogen sammenligner.
