Helt siden eksistensen av antimaterie ble foreslått på begynnelsen av 1900-tallet, har forskere forsøkt å forstå hvordan forholder seg til normal materie, og hvorfor det er en tilsynelatende ubalanse mellom de to i universet. For å gjøre dette har forskningen i partikkelfysikk de siste tiårene fokusert på antipartikkelen til det mest elementære og rikeste atom i universet - antihydrogenpartikkelen.
Inntil nylig har dette vært veldig vanskelig, ettersom forskere har vært i stand til å produsere antihydrogen, men ikke har kunnet studere det lenge før det ble tilintetgjort. Men ifølge nylig ble en studie som ble publisert i Natur, et team som brukte ALPHA-eksperimentet var i stand til å skaffe den første spektrale informasjonen om antihydrogen. Denne bragden, som var 20 år i ferd, kunne åpne for en helt ny epoke med forskning på antimaterie.
Å måle hvordan elementer absorberer eller avgir lys - dvs. spektroskopi - er et viktig aspekt av fysikk, kjemi og astronomi. Ikke bare tillater forskere å karakterisere atomer og molekyler, det lar astrofysikere bestemme sammensetningen av fjerne stjerner ved å analysere spekteret til lyset de sender ut.
I det siste har mange studier blitt utført i spektret av hydrogen, som utgjør omtrent 75% av all baryonmasse i universet. Disse har spilt en viktig rolle i vår forståelse av materie, energi og utviklingen av flere vitenskapelige disipliner. Men inntil nylig har det vært utrolig vanskelig å studere spekteret til antipartikkelen.
For det første krever det at partiklene som utgjør antihydrogen - antiprotoner og positroner (antielektroner) - blir fanget og avkjølt slik at de kan komme sammen. I tillegg er det da nødvendig å opprettholde disse partiklene lenge nok til å observere deres oppførsel, før de uunngåelig kommer i kontakt med normal materie og ødelegger.
Heldigvis har teknologien utviklet seg i løpet av de siste tiårene til det punktet hvor det nå er mulig å undersøke antimateriell, og dermed gi forskere muligheten til å utlede om fysikken bak antimateriell er i samsvar med standardmodellen eller går utover den. Som CERN-forskerteamet - som ble ledet av Dr. Ahmadi ved Institutt for fysikk ved University of Liverpool - indikerte i deres studie:
“Standardmodellen spår at det burde ha vært like store mengder materie og antimaterie i det eldgamle universet etter Big Bang, men dagens univers blir observert å bestå nesten utelukkende av vanlig materie. Dette motiverer fysikere til å studere antimaterie nøye, for å se om det er en liten asymmetri i fysikkens lover som styrer de to materiestypene. ”
Fra 1996 ble denne forskningen utført ved hjelp av AnTiHydrogEN Apparatus (ATHENA) eksperimentet, en del av CERN Antiproton Decelerator-anlegget. Dette eksperimentet var ansvarlig for å fange opp antiprotoner og positroner, for deretter å avkjøle dem til det punktet hvor de kan kombineres for å danne anitydrogen. Siden 2005 har denne oppgaven blitt ansvaret for ATHENAs etterfølger, ALPHA-eksperimentet.
Ved å bruke oppdaterte instrumenter fanger ALPHA atomer med nøytralt antihydrogen og holder dem i en lengre periode før de uunngåelig ødelegger I løpet av denne tiden utfører forskerteam spektrografisk analyse ved å bruke ALPHAs ultrafiolette laser for å se om atomene overholder de samme lovene som hydrogenatomer. Som Jeffrey Hangst, talsperson for ALPHA-samarbeidet, forklarte i en CERN-oppdatering:
Å bruke en laser for å observere en overgang i antihydrogen og sammenligne den med hydrogen for å se om de overholder de samme fysikklovene, har alltid vært et sentralt mål for antimateriforskning ... Det er enkelt å flytte og fange antiprotoner eller positroner fordi de er ladede partikler. Men når du kombinerer de to får du nøytral antihydrogen, som er langt vanskeligere å felle, så vi har designet en veldig spesiell magnetfelle som er avhengig av at antihydrogen er litt magnetisk. ”
På denne måten kunne forskerteamet måle lysfrekvensen som er nødvendig for å få en positron til å gå over fra det laveste energinivået til det neste. Det de fant var at det (innenfor eksperimentelle grenser) ikke var noen forskjell mellom antihydrogen-spektraldataene og de for hydrogen. Disse resultatene er en eksperimentell først, ettersom de er de første spektrale observasjonene som noen gang er gjort av et antihydrogenatom.
I tillegg til å gi rom for sammenligninger mellom materie og antimaterie for første gang, viser disse resultatene at antimatterens oppførsel - i forhold til dens spektrografiske egenskaper - er i samsvar med standardmodellen. Spesielt er de i samsvar med det som kalles Charge-Parity-Time (CPT) -symmetri.
Denne symmetriteorien, som er grunnleggende for etablert fysikk, spår at energinivået i materie og antimaterie ville være det samme. Som teamet forklarte i studien:
”Vi har utført den første laserspektroskopiske måling på et antimaterialeatom. Dette har lenge vært en ettertraktet prestasjon innen antimaterifysikk med lav energi. Det markerer et vendepunkt fra bevisforsøk-eksperimenter til seriøs metrologi og presisjons-CPT-sammenligninger ved bruk av det optiske spekteret til et anti-atom. Det nåværende resultatet… demonstrerer at tester av grunnleggende symmetrier med antimaterie ved AD modnes raskt. ”
Bekreftelsen på at materie og antimaterie har lignende spektrale egenskaper er med andre ord nok en indikasjon på at standardmodellen holder opp - akkurat som oppdagelsen av Higgs Boson i 2012 gjorde. Det demonstrerte også effektiviteten av ALPHA-eksperimentet ved å fange opp antimaterielle partikler, noe som vil ha fordeler med andre antihydrogeneksperimenter.
Naturligvis var CERN-forskerne veldig begeistret over dette funnet, og det forventes å få drastiske implikasjoner. Utover å tilby et nytt middel til å teste standardmodellen, forventes det også at det skal gå langt for å hjelpe forskere til å forstå hvorfor det er en ubalanse mellom materie og materie i universet. Nok et viktig skritt i å oppdage nøyaktig hvordan universet slik vi kjenner det ble til.
