Antimatter oppfører seg nøyaktig det samme som vanlig materie i dobbeltslittforsøk

I 1924 foreslo den franske fysikeren Louis de Broglie at fotoner - den subatomære partikkelen som utgjør lys - oppfører seg som både en partikkel og en bølge. Denne egenskapen er kjent som "partikkelbølgedualitet" og har vist seg å gjelde med andre subatomære partikler (elektroner og nøytroner) samt større, mer komplekse molekyler.

Nylig demonstrerte et eksperiment utført av forskere med QUantum Interferometry and Gravitation with Positrons and LAsers (QUPLAS) at denne samme egenskapen gjelder antimaterie. Dette ble gjort ved å bruke den samme typen interferensetest (aka. Dobbeltslit eksperiment) som hjalp forskere med å foreslå partikkelbølgedualitet i utgangspunktet.

Studien som beskriver det internasjonale teamets funn, nylig dukket opp i Vitenskapelige fremskritt. Studien ble ledet av Simone Sala, en doktorgradsstudent fra University of Milan, og inkluderte medlemmer fra National Institute of Nuclear Physics (INFN), Albert Einstein Center for Fundamental Physics, det polytekniske universitetet i Milano og University of Naples Federico II.

Tidligere var partikkelbølgedualiteten blitt påvist gjennom en rekke diffraksjonseksperimenter. Imidlertid er QUPLAS-forskerteamet de første til å etablere bølgeatferden i et enkelt positron (elektronpartiets elektron) interferenseksperiment. På den måten demonstrerte de kvante-naturen til anitmatter på en måte som er antydet av fysikere som Albert Einstein og Richard Feynman.

Eksperimentet innebar et oppsett som ligner på dobbeltspalt eksperimentet, der partikler fyres fra en kilde gjennom et gitter med to spalter fra en kilde mot en posisjonsfølsom detektor. Mens partikler som beveger seg i rette linjer ville produsere et mønster som tilsvarer gitteret, ville partikler som ferdes som bølger generere et stripet interferensmønster.

Eksperimentet besto av et forbedret periodeforstørrende Talbot-Lau-interferometer, en kontinuerlig positronstråle, et mikrometrisk gitter og en kjernefysisk emulsjon-sensitiv detektor. Ved hjelp av dette oppsettet var forskerteamet i stand til å generere - for første gang - et interferensmønster som tilsvarte enkelt antimaterielle partikkelbølger.

Som Dr. Ciro Pistillo - en forsker med Laboratory of High Energy Physics (LHEP), Albert Einstein Center (AEC) ved University of Bern, og en medforfatter på studien - forklarte i en nyhetshistorie fra University of Bern:

“Med kjernefysisk emulsjoner vi er i stand til å bestemme påvirkningspunktet for individuelle positroner veldig presist som gjør at vi kan rekonstruere deres interferometriske mønster med mikrometrisk nøyaktighet - og dermed til bedre enn million på en meter. ”

Denne funksjonen gjorde det mulig for teamet å overvinne hovedbegrensningene i antimaterieeksperimenter, som består av lav antipartikkelstrøm og kompleksitet i strålemanipulering. På grunn av dette var teamet i stand til å påvise antistoffets kvantemekaniske opprinnelse og bølgenes natur positroner. Eksperimentets suksess vil også bane vei for undersøkelser av antimateriell interferometri.

For eksempel kan gravitasjonsmålinger utføres med eksotiske materie-antimaterie-symmetriske atomer (som positronium). Dette vil tillate forskere å teste teorien om ladning, paritet og tid reversering (CPT) symmetri; og i forlengelse av dette, Weak Equivalence Principle for antimatter - et prinsipp som ligger i hjertet av General Relativity, men som aldri har blitt testet med antimatter.

Ytterligere eksperimenter med antimateriell interferometri kan også ta opp det brennende spørsmålet om hvorfor det er en ubalanse mellom materie og antimaterie i universet. Takket være dette gjennombruddet venter disse og andre grunnleggende mysterier videre undersøkelse!