Siitä lähtien, kun antimateriaalin olemassaoloa ehdotettiin 1900-luvun alkupuolella, tutkijat ovat pyrkineet ymmärtämään kuinka se liittyy normaaliin aineeseen ja miksi näiden kahden välillä on ilmeinen epätasapaino maailmankaikkeudessa. Tätä varten hiukkasfysiikan tutkimus on viime vuosikymmenien aikana keskittynyt maailmankaikkeuden alkeisimman ja runsaimman atomin - antivetyhiukkasen - antihiukkasiin.
Viime aikoihin asti tämä on ollut erittäin vaikeaa, koska tutkijat ovat kyenneet tuottamaan antivetyä, mutta eivät pystyneet tutkimaan sitä kauan ennen kuin se hävitettiin. Mutta viimeaikaisen tutkimuksen mukaan, joka julkaistiin Nature, ALPHA-kokeilua käyttänyt joukkue pystyi saamaan ensimmäiset spektritiedot antivetystä. Tämä saavutus, jota tehtiin 20 vuotta, voisi avata täysin uuden antimateriaalitutkimuksen aikakauden.
Mittaus, kuinka elementit absorboivat tai säteilevät valoa - ts. Spektroskopia - on tärkeä osa fysiikkaa, kemiaa ja tähtitiedettä. Sen lisäksi, että se antaa tutkijoille karakterisoida atomeja ja molekyylejä, se myös antaa astrofysiikan tutkijoille mahdollisuuden määrittää etäisten tähteiden koostumus analysoimalla niiden lähettämän valon spektriä.
Aikaisemmin on tehty monia tutkimuksia vedyn spektristä, joka muodostaa noin 75% kaikesta baryonimassasta maailmankaikkeudessa. Näillä on ollut tärkeä rooli ymmärryksessämme aineesta, energiasta ja useiden tieteellisten tieteiden kehityksestä. Mutta viime aikoihin asti sen hiukkasten vastaisen spektrin tutkiminen on ollut uskomattoman vaikeaa.
Ensinnäkin se vaatii, että antivetyä muodostavat hiukkaset - antiprotonit ja positronit (anti-elektronit) - vangitaan ja jäähdytetään, jotta ne voivat tulla yhteen. Lisäksi on tarpeen ylläpitää näitä hiukkasia riittävän kauan seuratakseen heidän käyttäytymistään, ennen kuin ne väistämättä muodostavat kosketuksen normaaliin aineeseen ja tuhoavat.
Onneksi tekniikka on edennyt muutaman viime vuosikymmenen aikana siihen pisteeseen, jossa antimateriaa koskeva tutkimus on nyt mahdollista, antaen tutkijoille mahdollisuuden päätellä, ovatko antimateriaalin takana oleva fysiikka yhdenmukaisia standardimallin kanssa vai ylittävätkö sen. Kuten CERN-tutkimusryhmä - jota johti tri Ahmadi Liverpoolin yliopiston fysiikan laitokselta - ilmoitti tutkimuksessaan:
”Vakiomalli ennustaa, että alkukunkaisessa universumissa olisi pitänyt olla yhtä suuret määrät ainetta ja antimateriaalia Ison räjähdyksen jälkeen, mutta nykypäivän maailmankaikkeuden havaitaan koostuvan melkein kokonaan tavallisesta aineesta. Tämä motivoi fyysikoita tutkimaan huolellisesti antimateriaa, jotta nähdään, onko fysiikan laeissa pieni epäsymmetria, joka hallitsee kahden tyyppisiä aineita. "
Vuodesta 1996 lähtien tämä tutkimus suoritettiin käyttämällä AnTiHydrogEN-laitteisto (ATHENA) -koetta, joka on osa CERN Antiproton Decelerator -laitetta. Tämä koe oli vastuussa antiprotonien ja positronien sieppaamisesta, sitten niiden jäähdyttämisestä pisteeseen, jossa ne voivat yhdistyä anitygeenin muodostamiseksi. Vuodesta 2005 tästä tehtävästä on tullut ATHENA-seuraajan, ALPHA-kokeilun, vastuu.
Päivitettyjä instrumentteja käyttämällä ALPHA vangitsee neutraalin antivetyatomin atomit ja pitää niitä pidemmän aikaa, ennen kuin ne väistämättä tuhoutuvat. Tänä aikana tutkimusryhmät suorittavat spektrografisen analyysin ALPHA: n ultraviolettilaserilla nähdäkseen, noudattavatko atomit samoja lakeja kuin vetyatomit. Kuten ALPHA-yhteistyön edustaja Jeffrey Hangst selitti CERN-päivityksessä:
”Laserin käyttäminen antivetyssä tapahtuvan siirtymisen tarkkailemiseksi ja sen vertaamiseksi vetyyn sen tarkistamiseksi, noudattavatko ne samoja fysiikan lakeja, on aina ollut antimateriaalitutkimuksen keskeinen tavoite… Antiprotonien tai positronien siirtäminen ja vangitseminen on helppoa, koska ne ovat varautuneita hiukkasia. Mutta kun yhdistät nämä kaksi, saat neutraalin antigeenin, jota on paljon vaikeampi tarttua, joten olemme suunnitelleet erityisen erityisen magneettisen ansaan, joka perustuu siihen tosiseikkaan, että antivety on vähän magneettinen. "
Näin tehdessään tutkimusryhmä pystyi mittaamaan valon taajuuden, joka tarvitaan positronin siirtymiseen alimmasta energiatasosta seuraavaan. He havaitsivat, että (kokeellisissa rajoissa) antivetyspektritietojen ja vedyn välillä ei ollut eroa. Nämä tulokset ovat ensin kokeellisia, koska ne ovat ensimmäisiä spektrihavaintoja, jotka on koskaan tehty antivetyatomista.
Sen lisäksi, että nämä aineet ja antimateria voidaan vertailla ensimmäistä kertaa, nämä tulokset osoittavat, että antimateriaalin käyttäytyminen spektrografisiin ominaisuuksiin nähden on yhdenmukainen standardimallin kanssa. Tarkemmin sanottuna, ne ovat yhdenmukaisia sen kanssa, joka tunnetaan nimellä CPT (Charge-Parity-Time) -symmetria.
Tämä symmetriateoria, joka on vakiintuneen fysiikan perusta, ennustaa, että aineen ja antimaterian energiatasot olisivat samat. Kuten ryhmä selitti tutkimuksessaan:
”Olemme suorittaneet ensimmäisen laserspektroskopisen mittauksen antimateriatomilla. Tämä on jo kauan ollut haluttu saavutus matalan energian antimateriaalifysiikassa. Se merkitsee käännekohtaa periaatetodistuksista vakaviin metrologisiin ja tarkkoihin CPT-vertailuihin, joissa käytetään anti-atomin optista spektriä. Tämänhetkinen tulos ... osoittaa, että AD: n antimatterin kanssa tapahtuvien perussymmetrioiden testit kypsyvät nopeasti. "
Toisin sanoen vahvistus siitä, että aineella ja antimateriaalilla on samanlaiset spektrin ominaisuudet, on jälleen yksi osoitus siitä, että standardimalli kestää - aivan kuten Higgs Bosonin löytö vuonna 2012. Se osoitti myös ALPHA-kokeen tehokkuuden antimateriaalipartikkeleiden sieppaamisessa, mikä hyödyttää muita antivetykokeita.
CERN-tutkijat olivat luonnollisesti innostuneita tästä löytöstä, ja sillä odotetaan olevan dramaattisia vaikutuksia. Sen lisäksi, että tarjotaan uusia tapoja testata standardimalli, sen odotetaan myös johtavan pitkälle auttamaan tutkijoita ymmärtämään, miksi universumissa on aineen ja antimaterian epätasapaino. Vielä yksi tärkeä askel löytääksemme tarkalleen kuinka maailmankaikkeus sellaisena kuin me sen tiedämme olevan.
