Ett bubblande, skrovligt vakuum fyller kvantutrymmet och snedvrider formen på varje väteatom i universum. Och nu vet vi att det också snedvrider vätgas bizarro-världs antimateria-tvilling: antihydrogen.
Antimatter är ett lite förstått ämne, sällsynt i vårt universum, som härmar nästan perfekt, men med alla egenskaper som vippas runt. Till exempel är elektroner små partiklar som har negativ laddning. Deras antimateriella tvillingar är små "positroner" som har en positiv laddning. Kombinera en elektron och en proton (en större, positivt laddad materiapartikel) så får du en enkel väteatom. Kombinera ett antimateria-positron med ett "antiproton" så får du antihydrogen. När regelbunden materia och antimateriell beröring förstör materien och antimateriapartiklarna varandra.
För närvarande verkar antimateria vara den perfekta, antagonistiska tvillingen av materia, och ett av fysikens stora mysterier är varför materien kom till att dominera rymden eftersom antimateriet blev lite spelare i universum. Att hitta någon skillnad mellan de två kan hjälpa till att förklara strukturen i det moderna universum.
Lammskiftet var ett bra ställe att leta efter den här typen av skillnad, säger Makoto Fujiwara, en kanadensisk partikelfysiker ansluten till CERN och medförfattare till den nya studien, publicerad 19 februari i tidskriften Nature. Kvantfysiker har känt till denna konstiga kvanteffekt, uppkallad efter University of Arizona-fysiker Willis Lamb, sedan 1947. Vid den första stora efterkrigskonferensen av amerikanska fysiker avslöjade Lamb att något osynligt inuti väteatomer pressar på sina inre partiklar och skapade ett större gap mellan protonen och den kretsande elektronen än befintlig kärnteori tillät.
"Grovt sett är lammskiftet en fysisk manifestation av effekten av" vakuumet ", sa Fujiwara till Live Science. "När du normalt tänker på vakuumet tänker du på 'ingenting'. Enligt kvantfysikens teori fylls emellertid vakuumet med de så kallade "virtuella partiklarna" som ständigt föds och förstörs. "
Den otrevliga bubblan av korta, halvverkliga partiklar har verkliga effekter på det omgivande universum. Och inuti väteatomer skapar det ett tryck som separerar de två länkade partiklarna. Den oväntade upptäckten vann Lamb 1955 Nobelpriset i fysik.
Men medan fysiker i årtionden har känt att lammskiftet förändrade väte, hade de ingen aning om det också påverkade antihydrogen.
Fujiwara och hans medhjälpare ville ta reda på det.
"Det övergripande målet för våra studier är att se om det finns någon skillnad mellan väte och antihydrogen, och vi vet inte i förväg var en sådan skillnad kan dyka upp," sa Fujiwara till Live Science.
För att studera frågan samlade forskarna noggrant in prov av antihydrogen med hjälp av Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA) antimateriaxperiment vid European Organization for Nuclear Research (CERN), kontinentens jättekärnfysiklaboratorium. ALPHA tar några timmar att generera ett antihydrogenprov som är tillräckligt stort för att arbeta med, sa Fujiwara.
Det avbryter ämnet i magnetfält som avvisar ämnet. ALPHA-forskare träffade sedan den instängda antihydrogenen med laserljus för att studera hur antimaterialet samverkar med fotonerna, vilket kan avslöja dolda egenskaper hos de lilla anti-atomerna.
Genom att upprepa sitt experiment ett dussin gånger på olika antihydrogenprover under olika förhållanden, fann ALPHA-forskarna ingen skillnad mellan Lammskiftet i väte och Lambskiftet i antihydrogen som deras instrument kunde upptäcka.
"För närvarande finns det ingen känd skillnad mellan de grundläggande egenskaperna hos väte och vanligt väte," sade Fujiwara. "Om vi hittar någon skillnad, till och med det minsta beloppet, skulle det tvinga en radikal förändring i hur vi förstår vårt fysiska universum."
Även om forskarna ännu inte har hittat några skillnader är antihydrogenfysik fortfarande ett ungt område. Fysiker hade inte ens några lätt studerade prover av sakerna förrän 2002, och ALPHA började inte rutinmässigt fånga väteprover förrän 2011.
Denna upptäckt är ett "första steg", sa Fujiwara, men det finns fortfarande mycket mer kvar att studera innan fysiker verkligen kommer att förstå hur väte och antihydrogen jämför.
