З тих пір, як існування антиматерії було запропоновано на початку 20 століття, вчені намагалися зрозуміти, наскільки це стосується нормальної матерії та чому існує очевидний дисбаланс між ними у Всесвіті. Для цього дослідження фізики частинок за останні кілька десятиліть були зосереджені на античастинці найелементарнішого і найпоширенішого атома у Всесвіті - антигідрогенної частинки.
До недавнього часу це було дуже важко, оскільки вчені змогли виробляти антиводень, але не змогли його вивчити задовго до того, як він знищився. Але згідно з останнім дослідженням, яке було опубліковано в Природа, команда, що використовувала експеримент ALPHA, змогла отримати першу спектральну інформацію про антигідроген. Це досягнення, яке було 20 років у процесі створення, може відкрити абсолютно нову еру досліджень антиматерії.
Вимірювання того, як елементи поглинають або випромінюють світло - тобто спектроскопія - є головним аспектом фізики, хімії та астрономії. Він не тільки дозволяє вченим характеризувати атоми та молекули, він дозволяє астрофізикам визначати склад далеких зірок, аналізуючи спектр світла, який вони випромінюють.
У минулому було проведено багато досліджень спектру водню, який становить приблизно 75% всієї баріонової маси у Всесвіті. Вони відіграли важливу роль у нашому розумінні матерії, енергії та еволюції багатьох наукових дисциплін. Але донедавна вивчити спектр його античастинок було надзвичайно важко.
Для початківців потрібно, щоб частинки, що входять до складу антигідрогену - антипротони та позитрони (антиелектрони) - були захоплені та охолоджені, щоб вони могли зібратися разом. Крім того, необхідно зберігати ці частинки досить довго, щоб спостерігати за їх поведінкою, перш ніж вони неминуче вступатимуть у контакт з нормальною речовиною та знищуються.
На щастя, технологія прогресувала за останні кілька десятиліть до того моменту, коли зараз можливе дослідження антиматерії, що дає можливість вченим зробити висновок, чи відповідає фізика, що стоїть проти антиматерії, стандартній моделі чи виходить за її межі. Як дослідницька група CERN, яку очолював доктор Ахмаді з кафедри фізики університету Ліверпуля, зазначила у своєму дослідженні:
"Стандартна модель передбачає, що у Первісному Всесвіті після Великого вибуху мали бути рівні кількості речовини та антиматерії, але сьогодні, як вважається, Всесвіт майже повністю складається із звичайної речовини. Це спонукає фізиків до ретельного вивчення антиматерії, щоб побачити, чи є в законах фізики невелика асиметрія, яка регулює два типи матерії ».
Починаючи з 1996 року, це дослідження було проведено за допомогою експерименту «АнтиТігідроген» (ATHENA), що входить до складу засобів захисту антипротонових делераторів CERN. Цей експеримент був відповідальним за захоплення антипротонів та позитронів, а потім їх охолодження до того моменту, коли вони можуть поєднуватися з утворенням анітидогену. З 2005 року це завдання стало відповідальністю наступника ATHENA, експерименту ALPHA.
Використовуючи оновлені інструменти, ALPHA фіксує атоми нейтрального антигідрогену і утримує їх довший період, перш ніж вони неминуче знищуються. Протягом цього часу дослідницькі групи проводять спектрографічний аналіз, використовуючи ультрафіолетовий лазер ALPHA, щоб побачити, чи атоми підкоряються тим же законам, що і атоми водню. Як пояснив у оновленнях CERN Джефрі Ханст, речник спільноти ALPHA:
«Використання лазера для спостереження за переходом у антиводороді та порівняння його з воднем, щоб побачити, чи вони підкоряються одним і тим же законам фізики, завжди було ключовою метою дослідження антиматерії ... Переміщення та захоплення антипротонів чи позитронів легко, оскільки вони заряджені частинки. Але, поєднуючи ці два, ви отримуєте нейтральний антиводород, який набагато складніше вловлювати, тому ми розробили дуже спеціальну магнітну пастку, яка спирається на те, що антиводень трохи магнітний. "
Роблячи це, дослідницька група змогла виміряти частоту світла, необхідну для переходу позитрона з найнижчого рівня енергії на наступний. Вони виявили, що (в експериментальних межах) немає різниці між спектральними даними про антиводень та водню. Ці результати є першими експериментальними, оскільки вони є першими спектральними спостереженнями, зробленими колись із атома водню.
Крім того, що дозволяють вперше зіставляти речовину з антиматерією, ці результати показують, що поведінка антиматерії - щодо її спектрографічних характеристик - відповідає Стандартній моделі. Зокрема, вони відповідають тій симетрії Charge-Parity-Time (CPT).
Ця теорія симетрії, яка є фундаментальною для усталеної фізики, передбачає, що рівні енергії в речовині та антиматерії будуть однаковими. Як пояснила команда у своєму дослідженні:
«Ми провели перше лазерно-спектроскопічне вимірювання на атомі антиматерії. Це давно було затребуваним досягненням у фізиці антиматеріалів низької енергії. Він знаменує перелом від експериментів на основі принципів до серйозних метрологічних та точних порівнянь CPT, використовуючи оптичний спектр антиатома. Нинішній результат… демонструє, що випробування фундаментальних симетрій з антиматеріалом на АД швидко розвиваються ».
Іншими словами, підтвердження того, що матерія та антиматерия мають подібні спектральні характеристики, є ще одним свідченням того, що стандартна модель дотримується - як і відкриття Хіггса Босона в 2012 році. Він також продемонстрував ефективність експерименту ALPHA у відловленні частинок антиматерії, що матиме переваги в інших експериментах проти водню.
Природно, дослідники ЦЕРН були дуже схвильовані цією знахідкою, і, як очікується, це матиме різкі наслідки. Крім того, щоб запропонувати нові засоби тестування Стандартної моделі, очікується також пройти довгий шлях до того, щоб допомогти вченим зрозуміти, чому у Всесвіті існує дисбаланс речовини-антиматерії. Ще один вирішальний крок у виявленні саме того, яким є Всесвіт, яким ми його знаємо.
