Forskere har foretatt den mest presise målingen av antimaterie ennå, og resultatene utdyper bare mysteriet om hvorfor liv, universet og alt det som finnes i det.
De nye målingene viser at antimaterie og materie oppfører seg identisk i en utrolig høy grad av presisjon.
Likevel kan ikke disse nye målingene svare på et av de største spørsmålene i fysikken: Hvorfor, hvis like deler materie og antimaterie ble dannet under Big Bang, består vårt univers i dag av materie?
Universet i balanse
Universet vårt er basert på balansen mellom motsetningene. For hver type "normal" partikkel, laget av materie, er det en konjugert antipartikkel med samme masse som har den motsatte elektriske ladningen produsert på samme tid. Elektroner har motsatte antelektroner eller positroner; protoner har antiprotoner; og så videre.
Når materie og antimaterielle partikler møtes, ødelegger de imidlertid hverandre, og etterlater bare rester energi igjen. Fysikere påpeker at det burde ha vært like store mengder med materie og antimaterie skapt av Big Bang, og hver av dem ville ha sikret den andres gjensidige ødeleggelse, og etterlatt et babyunivers stukket av livets byggesteiner (eller hva som helst, egentlig). Likevel er vi her, i et univers som nesten består av materie.
Men her er kickeren: Vi vet ikke om noe primitivt antimateriell som gjorde det ut av Big Bang. Så hvorfor - hvis antimaterie og materie oppfører seg på samme måte - overlevde den ene typen materie Big Bang og den andre ikke?
En av de beste måtene å svare på dette spørsmålet er å måle de grunnleggende egenskapene til materien og dens antimateriellkonjugater så presist som mulig og sammenligne disse resultatene, sa Stefan Ulmer, fysiker ved Riken i Wako, Japan, som ikke var involvert i det nye undersøkelser. Hvis det er et lite avvik mellom materieegenskaper og korrelerte antimaterieegenskaper, kan det være den første ledetråden for å løse fysikkens største hvitenhet. (I 2017 fant forskere noen små forskjeller i måten noen materie antimaterielle partnere oppfører seg, men resultatene var ikke statistisk sterke nok til å regne som et funn.)
Men hvis forskere ønsker å manipulere antimateriell, må de nøye lage det. I løpet av de siste årene har noen fysikere benyttet seg av å studere antihydrogen, eller hydrogens antimateriell-motstykke, fordi hydrogen er "en av de tingene vi forstår best i universet," sier studieforfatter Jeffrey Hangst, fysiker ved Aarhus University i Danmark, til Live Science . Å lage antihydrogen innebærer typisk å blande 90 000 antiprotoner med 3 millioner positroner for å produsere 50 000 antihydrogenatomer, hvorav bare 20 er fanget med magneter i et 11-tommers langt (28 centimeter) sylindrisk rør for videre undersøkelse.
Nå, i en ny studie publisert i dag (4. april) i tidsskriftet Nature, har teamet fra Hangst oppnådd en enestående standard: De har tatt den mest presise målingen av antihydrogen - eller hvilken som helst type antimaterie i det hele tatt - til dags dato. I 15 000 atomer antihydrogen (tenk å gjøre den nevnte blandingsprosessen noen ganger), studerte de frekvensen av lys atomene avgir eller absorberer når de hopper fra en lavere energitilstand til en høyere.
Forskernes målinger viste at antihydrogenatomenes energinivåer, og mengden lys absorbert, stemte overens med hydrogens kolleger, med en presisjon på 2 deler per billion, og forbedret dramatisk den forrige målepresisjonen i størrelsesorden deler per milliard.
"Det er veldig sjelden at eksperimentelle klarer å øke presisjonen med en faktor 100," sa Ulmer til Live Science. Han tror at hvis Hangst-teamet fortsetter arbeidet i ytterligere 10 til 20 år, vil de være i stand til å øke nivået av hydronspektroskopi-presisjon med en ytterligere faktor på 1000.
For Hangst - talsperson for ALPHA-samarbeidet i European Organization for Nuclear Research (CERN), som ga disse resultatene - var denne bragden flere tiår i ferd med å gjøre.
Å fange og holde antimateriell var en viktig bragd, sa Hangst.
"For tjue år siden trodde folk at dette aldri ville skje," sa han. "Det er en eksperimentell tour de force å kunne gjøre dette i det hele tatt."
De nye resultatene er veldig imponerende, fortalte Michael Doser, en fysiker ved CERN som ikke var involvert i arbeidet, til Live Science i en e-post.
"Antallet fangede atomer for denne målingen (15 000) er en enorm forbedring av egne poster for bare noen få år siden," sa Doser.
Så hva forteller den mest presise målingen av antimaterie oss? Vel, dessverre, ikke mye mer enn vi allerede visste. Som forventet oppfører hydrogen og antihydrogen - stoff og antimaterie seg identisk. Nå, vi vet bare at de er identiske ved en måling av deler per billion. Ulmer sa imidlertid at 2-deler per trillion måling ikke utelukker muligheten for at noe avviker mellom de to stofftyper på et enda større presisjonsnivå som hittil har trosset målingen.
Når det gjelder Hangst, er han mindre opptatt av å svare på spørsmålet om hvorfor materienes univers eksisterer som det gjør uten antimaterie - det han kaller "elefanten i rommet." I stedet ønsker han og gruppen å fokusere på å gjøre enda mer presise målinger, og utforske hvordan antimaterie reagerer med tyngdekraften - faller den ned som vanlig materie, eller kan den falle opp?
Og Hangst mener at mysteriet kunne løses før utgangen av 2018, da CERN vil legge ned i to år for oppgraderinger. "Vi har andre triks i ermet," sa han. "Følg med."
