Odkar so v začetku 20. stoletja predlagali obstoj antimaterije, so znanstveniki poskušali razumeti, kako se nanaša na normalno snov in zakaj obstaja očitno neravnovesje med obema v vesolju. Da bi to naredili, so se raziskave fizike delcev v zadnjih nekaj desetletjih osredotočile na anti-delček najbolj elementarnega in najobsežnejšega atoma v vesolju - antihidrogeni delček.
Do nedavnega je bilo to zelo težko, saj so znanstveniki lahko proizvedli antihidrogen, vendar ga niso mogli preučiti že dolgo, preden se je uničil. Toda po nedavni raziskavi, ki je bila objavljena v Narava, ekipa, ki je uporabila eksperiment ALPHA, je lahko dobila prve spektralne informacije o antihidrogenu. Ta dosežek, ki je bil v izdelavi 20 let, bi lahko odprl povsem novo obdobje raziskav antimaterije.
Merjenje, kako elementi absorbirajo ali oddajajo svetlobo - to je spektroskopija - je glavni vidik fizike, kemije in astronomije. Znanstveniki ne le, da opisujejo atome in molekule, astrofizikom omogoča, da določijo sestavo daljnih zvezd z analizo spektra svetlobe, ki jo oddajajo.
V preteklosti je bilo izvedenih veliko raziskav spektra vodika, ki predstavlja približno 75% vse barionske mase v vesolju. Ti so igrali ključno vlogo pri našem razumevanju materije, energije in razvoja več znanstvenih disciplin. Toda do nedavnega je bilo preučevanje spektra njegovih delcev neverjetno težko.
Za začetek zahteva, da se delci, ki sestavljajo antihidrogen - antiprotoni in pozitroni (anti-elektroni) - zajamejo in ohladijo, da se lahko združijo. Poleg tega je treba te delce vzdrževati dovolj dolgo, da opazujejo njihovo vedenje, preden neizogibno vzpostavijo stik z normalno snovjo in se uničijo.
Na srečo je tehnologija v zadnjih desetletjih napredovala do trenutka, ko so zdaj možne raziskave antimaterije in tako znanstvenikom omogočajo sklep, ali je fizika, ki stoji za antimaterijo, skladna s standardnim modelom ali pa jo presega. Kot je v svoji študiji navedla raziskovalna skupina CERN - ki jo je vodil dr. Ahmadi z oddelka za fiziko na univerzi v Liverpoolu:
"Standardni model predvideva, da bi moralo biti v prvotnem vesolju po velikem udaru enaka količina snovi in antimaterije, danes pa je vesolje skoraj v celoti sestavljeno iz navadne snovi. To fizike motivira, da natančno preučujejo antimaterijo in ugotovijo, ali je v zakonih fizike majhna asimetrija, ki urejata dve vrsti materije. "
Začetek leta 1996 je bila ta raziskava izvedena z eksperimentom AnTiHydrogEN Aparat (ATHENA), ki je bil del naprave CERN Antiproton Decelerator. Ta poskus je bil odgovoren za zajemanje antiprotonov in pozitronov, nato pa njihovo hlajenje do te mere, da se lahko združijo in tvorijo anitigen. Od leta 2005 je ta naloga postala odgovornost naslednika ATHENE, eksperimenta ALPHA.
S posodobljenimi instrumenti ALPHA zajame atome nevtralnega antihidrogena in jih zadrži dlje časa, preden se neizogibno uničijo. V tem času raziskovalne skupine izvajajo spektrografsko analizo z uporabo ultravijoličnega laserja ALPHA, da bi videli, ali atomi upoštevajo iste zakone kot vodikovi atomi. Kot je v posodobitvi za CERN pojasnil tiskovni predstavnik sodelovanja ALPHA Jeffrey Hangst:
"Uporaba laserja za opazovanje prehoda v antihidrogenu in primerjava z vodikom za preverjanje, ali se ravnajo po istih fizikalnih zakonih, je bila vedno ključni cilj raziskav antimaterije ... Premikanje in lovljenje antiprotonov ali pozitronov je enostavno, ker so nabiti delci. Ko pa kombinirate oba, dobite nevtralen antihidrogen, ki ga je veliko težje ujeti, zato smo zasnovali zelo posebno magnetno past, ki se opira na dejstvo, da je antihidrogen nekoliko magnetni. "
Pri tem je raziskovalni skupini uspelo izmeriti frekvenco svetlobe, ki je potrebna za prehod pozitrona s njegove najnižje ravni energije na naslednjo. Ugotovili so, da (v eksperimentalnih mejah) ni razlike med spektralnimi podatki o vodik in vodikom. Ti rezultati so najprej eksperimentalni, saj so prva spektralna opazovanja, ki so bila kdaj koli narejena iz atoma vodika.
Poleg tega, da prvič omogočajo primerjave med snovjo in antimaterijo, ti rezultati kažejo, da je vedenje antimaterije glede na njene spektrografske značilnosti skladno s standardnim modelom. Konkretno so v skladu s simetrijo Charge-Parity-Time (CPT).
Ta teorija simetrije, ki je temeljna za uveljavljeno fiziko, predvideva, da bi bili nivoji energije v materiji in antimateriji enaki. Kot je v študiji pojasnila ekipa:
»Opravili smo prvo lasersko-spektroskopsko meritev na atomu antimaterije. To je že dolgo iskan dosežek v nizkoenergijski antimaterični fiziki. To pomeni prelomnico od preizkusov zanesljivih načel do resnih meroslovnih in natančnih primerjav CPT z uporabo optičnega spektra anti-atoma. Trenutni rezultat ... kaže, da testi temeljnih simetrij z antimaterijo pri AD hitro dozorijo. "
Z drugimi besedami, potrditev, da imata snov in antimaterija podobne spektralne lastnosti, je še en pokazatelj, da se standardni model drži - tako kot odkritje Higgsa Bosona leta 2012. Prav tako je pokazal učinkovitost eksperimenta ALPHA pri ujemanju delcev antimaterije, kar bo koristilo drugim poskusom z vodikom.
Seveda so bili raziskovalci CERN zelo navdušeni nad to najdbo in pričakovati bo, da bo to imelo drastične posledice. Poleg tega, da bi ponudili nova sredstva za preizkušanje standardnega modela, se pričakuje, da bo šlo tudi daleč, da bi znanstvenikom pomagali razumeti, zakaj v vesolju obstaja neravnovesje v zvezi s snovjo. Še en ključni korak pri odkrivanju, kako točno je vesolje, kot ga poznamo, postalo.
