Ända sedan förekomsten av antimateria föreslogs i början av 1900-talet har forskare försökt förstå hur förhåller sig till normal materia och varför det finns en uppenbar obalans mellan de två i universum. För att göra detta har partikelfysikforskning under de senaste decennierna fokuserat på anti-partikeln från den mest elementära och rikligaste atomen i universum - antihydrogenpartikeln.
Fram till nyligen har detta varit mycket svårt, eftersom forskare har kunnat producera antihydrogen, men inte kunnat studera det länge innan det förintades. Men enligt en nyligen publicerad studie Natur, ett team som använde ALPHA-experimentet kunde få den första spektrala informationen om antihydrogen. Denna prestation, som var 20 år i produktion, kunde öppna upp en helt ny era av forskning om antimateria.
Att mäta hur element absorberar eller avger ljus - dvs spektroskopi - är en viktig aspekt av fysik, kemi och astronomi. Det tillåter inte bara forskare att karakterisera atomer och molekyler, det tillåter astrofysiker att bestämma sammansättningen av avlägsna stjärnor genom att analysera spektrumet för ljuset de avger.
Tidigare har många studier genomförts i spektrumet av väte, som utgör ungefär 75% av all baryonmassa i universum. Dessa har spelat en viktig roll i vår förståelse av materia, energi och utvecklingen av flera vetenskapliga discipliner. Men tills nyligen har det varit oerhört svårt att studera spektrumet för dess antipartikel.
Till att börja med kräver det att partiklarna som utgör antihydrogen - antiprotoner och positroner (antielektroner) - fångas och kyls så att de kan komma ihop. Dessutom är det då nödvändigt att upprätthålla dessa partiklar tillräckligt länge för att observera deras beteende, innan de oundvikligen kommer i kontakt med normalt material och förintas.
Lyckligtvis har tekniken utvecklats under de senaste decennierna till den punkt där forskning om antimateria nu är möjlig, vilket ger forskare möjlighet att dra sig ifrån om fysiken bakom antimateriel överensstämmer med standardmodellen eller går längre än den. Som CERN-forskargruppen - som leds av Dr. Ahmadi från institutionen för fysik vid University of Liverpool - indikerade i sin studie:
”Standardmodellen förutspår att det borde ha varit lika stora mängder materia och antimateria i det primordiala universum efter Big Bang, men dagens universum kan ses nästan helt och hållet av vanlig materia. Detta motiverar fysiker att noggrant studera antimateria, för att se om det finns en liten asymmetri i fysikens lagar som styr de två typerna av materia. ”
Från och med 1996 genomfördes denna forskning med AnTiHydrogEN Apparatus (ATHENA) -experimentet, en del av CERN Antiproton Decelerator-anläggningen. Detta experiment var ansvarigt för att fånga antiprotoner och positroner och sedan kyla dem till den punkt där de kan kombineras för att bilda anitydrogen. Sedan 2005 har denna uppgift blivit ansvaret för ATHENAs efterföljare, ALPHA-experimentet.
Genom att använda uppdaterade instrument fångar ALPHA atomer av neutral anti-väte och håller dem under en längre period innan de oundvikligen förstörs. Under denna tid genomför forskargrupper spektrografisk analys med ALPHAs ultraviolett laser för att se om atomerna följer samma lagar som väteatomer. Som Jeffrey Hangst, talesman för ALPHA-samarbetet, förklarade i en CERN-uppdatering:
”Att använda en laser för att observera en övergång i antihydrogen och jämföra den med väte för att se om de följer samma fysiklagar har alltid varit ett viktigt mål för antimateriforskning ... Att flytta och fånga antiprotoner eller positroner är lätt eftersom de är laddade partiklar. Men när du kombinerar de två får du neutral antihydrogen, vilket är mycket svårare att fånga, så vi har designat en mycket speciell magnetfälla som förlitar sig på att antihydrogen är lite magnetisk. ”
På så sätt kunde forskarteamet mäta den ljusfrekvens som behövs för att få en positron att övergå från sin lägsta energinivå till nästa. Vad de fann var att (inom experimentella gränser) det inte fanns någon skillnad mellan antihydrogen-spektraldata och väte. Dessa resultat är en experimentell först, eftersom de är de första spektrala observationerna som någonsin gjorts av en antihydrogenatom.
Förutom att möjliggöra jämförelser mellan materia och antimateria för första gången, visar dessa resultat att antimatters beteende - gentemot dess spektrografiska egenskaper - överensstämmer med standardmodellen. De överensstämmer specifikt med vad som kallas Charge-Parity-Time (CPT) -symmetri.
Denna symmetriteori, som är grundläggande för den etablerade fysiken, förutspår att energinivåerna i materien och antimaterialet skulle vara desamma. Som teamet förklarade i sin studie:
”Vi har genomfört den första laserspektroskopiska mätningen på en antimateriell atom. Detta har länge varit en eftertraktad prestation inom fysik med låg energi-antimateria. Det markerar en vändpunkt från bevisprincipförsök till allvarlig metrologi och CPT-jämförelser med precision med hjälp av det optiska spektrumet för en antatom. Det nuvarande resultatet ... visar att tester av grundläggande symmetrier med antimateria vid AD mognar snabbt. ”
Med andra ord, bekräftelsen av att materia och antimateria har liknande spektrala egenskaper är ännu en indikation på att standardmodellen håller upp - precis som upptäckten av Higgs Boson 2012 gjorde. Det visade också effektiviteten hos ALPHA-experimentet vid att fånga antimateriella partiklar, vilket kommer att ha fördelar med andra antihydrogen-experiment.
Naturligtvis var CERN-forskarna mycket glada över detta fynd, och det förväntas få drastiska konsekvenser. Utöver att erbjuda ett nytt sätt att testa standardmodellen, förväntas det också gå en lång väg mot att hjälpa forskare att förstå varför det finns en obalans mellan obalanser i frågan i universum. Ännu ett avgörande steg för att upptäcka exakt hur universum som vi känner det blev.
