De când a fost propusă existența antimateriei la începutul secolului XX, oamenii de știință au căutat să înțeleagă cum se raportează la materia normală și de ce există un dezechilibru aparent între cei doi în Univers. Pentru a face acest lucru, cercetările în fizica particulelor din ultimele decenii s-au concentrat pe anti-particulele celui mai elementar și abundent atom din Univers - particulele antihidrogen.
Până de curând, acest lucru a fost foarte dificil, deoarece oamenii de știință au fost capabili să producă antihidrogen, dar nu au putut să-l studieze mult timp înainte de a se anihila. Dar, conform unui studiu recent, a fost publicat în Natură, o echipă care utilizează experimentul ALPHA a fost capabilă să obțină primele informații spectrale despre antihidrogen. Această realizare, care a fost de 20 de ani în devenire, ar putea deschide o eră complet nouă de cercetare în domeniul antimateriei.
Măsurarea modului în care elementele absorb sau emit lumină - adică spectroscopia - este un aspect major al fizicii, chimiei și astronomiei. Nu numai că permite oamenilor de știință să caracterizeze atomii și moleculele, ci le permite astrofizicienilor să determine compoziția stelelor îndepărtate, analizând spectrul luminii pe care o emit.
În trecut, multe studii au fost efectuate în spectrul hidrogenului, ceea ce constituie aproximativ 75% din toată masa baryonică din Univers. Acestea au jucat un rol esențial în înțelegerea materiei, a energiei și a evoluției mai multor discipline științifice. Dar până de curând, studiul spectrului anti-particule a fost incredibil de dificil.
Pentru început, este necesar ca particulele care constituie antihidrogen - antiprotone și pozitroni (anti-electroni) - să fie captate și răcite astfel încât să se poată uni. În plus, este necesar ca aceste particule să fie menținute suficient de mult pentru a-și observa comportamentul, înainte ca acestea să evite inevitabil contactul cu materia normală și să se anihileze.
Din fericire, tehnologia a progresat în ultimele decenii până la punctul în care cercetările în domeniul antimateriei sunt acum posibile, oferind astfel oamenilor de știință oportunitatea de a deduce dacă fizica din spatele antimateriei este în concordanță cu Modelul Standard sau depășește-o. După cum a indicat în studiul lor echipa de cercetare CERN - condusă de Dr. Ahmadi, de la Departamentul de Fizică al Universității din Liverpool:
„Modelul standard prezice că ar fi trebuit să existe cantități egale de materie și antimaterie în Universul primordial după Big Bang, dar Universul de astăzi este observat a fi format aproape în întregime din materie obișnuită. Acest lucru îi motivează pe fizicieni să studieze cu atenție antimateria, pentru a vedea dacă există o mică asimetrie în legile fizicii care guvernează cele două tipuri de materie. ”
Începând cu 1996, această cercetare a fost realizată folosind experimentul AnTiHydrogEN Apparat (ATHENA), o parte a instalației de decelerare CERN Antiproton. Acest experiment a fost responsabil de captarea antiprotonilor și a pozitronilor, apoi răcirea lor până la punctul în care se pot combina pentru a forma anitidrogen. Din 2005, această sarcină a devenit responsabilitatea succesorului ATHENA, experimentul ALPHA.
Folosind instrumente actualizate, ALPHA captează atomi de antihidrogen neutru și îi menține pentru o perioadă mai lungă înainte de a se anihila inevitabil În acest timp, echipele de cercetare efectuează analize spectrografice folosind laserul ultraviolet ALPHA pentru a vedea dacă atomii respectă aceleași legi ca și atomii de hidrogen. După cum a explicat Jeffrey Hangst, purtătorul de cuvânt al colaborării ALPHA, într-o actualizare CERN:
„Folosirea unui laser pentru a observa o tranziție în antihidrogen și a compara cu hidrogenul pentru a vedea dacă respectă aceleași legi ale fizicii a fost întotdeauna un obiectiv esențial al cercetării antimateriei ... Mutarea și capturarea antiprotonilor sau a pozitronilor este ușoară, deoarece sunt particule încărcate. Dar când îi combinați pe cei doi obțineți antihidrogen neutru, care este mult mai dificil de captat, așa că am conceput o capcană magnetică foarte specială, care se bazează pe faptul că antihidrogenul este puțin magnetic. "
În acest sens, echipa de cercetare a fost capabilă să măsoare frecvența luminii necesare pentru a provoca trecerea de la un pozitron de la cel mai scăzut nivel de energie la următorul. Ceea ce au descoperit a fost că (în limitele experimentale) nu există nicio diferență între datele spectrale antihidrogen și cele ale hidrogenului. Aceste rezultate sunt primele experimentale, deoarece sunt primele observații spectrale făcute vreodată de un atom de antihidrogen.
Pe lângă faptul că permit pentru prima dată comparații între materie și antimaterie, aceste rezultate arată că comportamentul antimateriei - vis-a-vis de caracteristicile sale spectrografice - sunt în concordanță cu modelul standard. Mai exact, acestea sunt în concordanță cu ceea ce este cunoscută sub denumirea de simetrie Charge-Parity-Time (CPT).
Această teorie a simetriei, care este fundamentală pentru fizica consacrată, prevede că nivelurile de energie în materie și antimaterie ar fi aceleași. După cum a explicat echipa în studiul lor:
„Am efectuat prima măsurare laser-spectroscopică pe un atom de antimaterie. Aceasta a fost mult timp o realizare căutată în fizica antimateriei cu consum redus de energie. Acesta marchează un punct de cotitură de la experimente de dovadă de principiu la metrologie serioasă și comparații CPT de precizie folosind spectrul optic al unui anti-atom. Rezultatul actual ... demonstrează că testele simetriilor fundamentale cu antimaterie la AD se maturizează rapid. "
Cu alte cuvinte, confirmarea faptului că materia și antimateria au caracteristici spectrale similare este încă un indiciu pe care modelul standard îl păstrează - la fel cum a făcut descoperirea Higgs Boson în 2012. De asemenea, a demonstrat eficacitatea experimentului ALPHA la capcarea particulelor de antimaterie, care vor avea beneficii și alte experimente antihidrogen.
Desigur, cercetătorii CERN au fost foarte încântați de această constatare și se așteaptă să aibă implicații drastice. Dincolo de oferirea unui nou mijloc de testare a modelului standard, se preconizează, de asemenea, un drum lung spre a ajuta oamenii de știință să înțeleagă de ce există un dezechilibru antimaterie în Univers. Încă un pas crucial în descoperirea exact a cum a ajuns Universul așa cum știm.
