Alates 20. sajandi alguses välja pakutud antimaterjali olemasolust on teadlased püüdnud mõista, kuidas see on seotud normaalse ainega ja miks on nende kahe vahel universumis ilmne tasakaalustamatus. Selleks on osakeste füüsika uurimine viimastel aastakümnetel keskendunud universumi kõige elementaarsema ja rikkaliku aatomi - antivesiniku osakese - osakestevastasele osakesele.
Kuni viimase ajani on see olnud väga keeruline, kuna teadlased on suutnud antihüdrogeeni toota, kuid ei suutnud seda kaua enne hävitamist uurida. Kuid hiljutise uuringu kohaselt, mis avaldati Loodus, ALPHA eksperimenti kasutanud meeskond suutis saada esimest spektriteavet antivesiniku kohta. See saavutus, mille tegemine oli 20 aastat, võib avada täiesti uue antimaterjalide uurimise ajajärgu.
Elementide valguse neeldumise või kiirguse mõõtmine - s.o spektroskoopia - on füüsika, keemia ja astronoomia peamine aspekt. See mitte ainult ei võimalda teadlastel aatomeid ja molekule iseloomustada, vaid võimaldab astrofüüsikutel ka kaugete tähtede koostise kindlaks teha, analüüsides nende poolt eralduva valguse spektrit.
Varem on vesiniku spektri kohta läbi viidud palju uuringuid, mis moodustavad umbes 75% kogu universumi barüoonimassist. Need on mänginud olulist rolli meie arusaamises ainest, energiast ja mitmete teadusharude arengust. Kuid kuni viimase ajani on osakestevastase spektri uurimine olnud uskumatult keeruline.
Alustuseks on vajalik, et antihüdrogeeni moodustavad osakesed - antiprotoonid ja positronid (antielektronid) - hõivatakse ja jahutatakse, et need saaksid kokku. Lisaks on vaja neid osakesi säilitada piisavalt kaua, et nende käitumist jälgida, enne kui nad paratamatult kontakti normaalse ainega satuvad ja hävivad.
Õnneks on tehnoloogia viimastel aastakümnetel jõudnud kaugele, kus antimaterjali uurimine on nüüd võimalik, andes teadlastele võimaluse järeldada, kas antimaterjali taga olev füüsika vastab standardmudelile või läheb sellest kaugemale. Nagu CERNi uurimisrühm - mida juhtis Liverpooli ülikooli füüsikaosakonna dr Ahmadi - märkisid oma uuringus:
„Standardmudel ennustab, et ürgses universumis oleks pärast Suurt Pauku pidanud olema võrdses koguses ainet ja antimaterjali, kuid tänapäeva universum koosneb peaaegu täielikult tavalisest ainest. See motiveerib füüsikuid uurima antimaterjali hoolikalt, et näha, kas füüsikat käsitlevates seadustes on vähe asümmeetriat, mis reguleerivad kahte tüüpi aineid. ”
Alates 1996. aastast viidi see uuring läbi AnTiHydrogEN aparatuuri (ATHENA) eksperimendi abil, mis on osa CERN Antiproton Decelerator rajatisest. Selle katse ülesandeks oli antiprotoonide ja positronite hõivamine, jahutades need seejärel punktini, kus nad saavad anitüdrogeeniks moodustuda. Alates 2005. aastast on selle ülesande eest vastutanud ATHENA järeltulija, ALPHA eksperiment.
Uuendatud instrumentide abil hõivab ALPHA neutraalse antivesiniku aatomeid ja hoiab neid pikemat aega, enne kui need paratamatult hävivad. Selle aja jooksul viivad uurimisrühmad läbi spektrograafilise analüüsi, kasutades ALPHA ultraviolettlaserit, et näha, kas aatomid järgivad samu seadusi nagu vesiniku aatomid. Nagu ALPHA koostöö eestkõneleja Jeffrey Hangst CERNi värskenduses selgitas:
“Antimaterjalide uurimise põhieesmärk on alati olnud laseri kasutamine antivesiniku ülemineku jälgimiseks ja vesinikuga võrdlemiseks, et kontrollida, kas nad järgivad samu füüsikaseadusi. Antiprotonite või positronite liigutamine ja püüdmine on lihtne, kuna need on laetud osakesed. Kuid nende kahe ühendamisel saate neutraalse antivesiniku, mida on palju raskem kinni püüda, nii et oleme loonud väga spetsiaalse magnetilise lõksu, mis tugineb tõsiasjale, et antivesinik on natuke magnetiline. ”
Seda tehes suutis uurimisrühm mõõta valguse sagedust, mis on vajalik positroni üleminekuks madalaimalt energiatasemelt järgmisele. Nad leidsid, et (eksperimentaalsetes piirides) polnud erinevust vesinikuvastaste ja vesiniku spektri andmete vahel. Need tulemused on eksperimentaalsed, kuna need on esimesed spetsiifilised vaatlused, mis on kunagi tehtud anti vesinikuaatomi kohta.
Lisaks tulemuste esmakordsele võrdlemisele mateeria ja antimaterjali vahel näitavad need tulemused, et antimaterjali käitumine - võrreldes selle spektrograafilisi omadusi - on kooskõlas standardmudeliga. Täpsemalt, need on kooskõlas nn laeng-pariteedi-aja (CPT) sümmeetriaga.
See sümmeetriateooria, mis on väljakujunenud füüsika jaoks põhiline, ennustab, et energia tasemed aines ja antimaterjalis on samad. Nagu meeskond oma uuringus selgitas:
„Oleme teinud esimese laserspektroskoopilise mõõtmise antimaterjali aatomil. See on madala energiatarbimisega antimaterjalide füüsikas juba ammu ihaldatud saavutus. See tähistab pöördepunkti põhimõtte tõendamise katsetest tõsise metroloogia ja täpse CPT võrdlusega, kasutades antiatomi optilist spektrit. Praegune tulemus ... näitab, et antiainega põhisümmeetria testid AD-l küpsevad kiiresti. "
Teisisõnu, kinnitus, et ainel ja antimaterjalil on sarnased spektraalkarakteristikud, on veel üks viide sellele, et standardmudel peab vastu - just nagu seda tegi Higgsi Bosoni avastus 2012. aastal. See näitas ka ALPHA eksperimendi tõhusust antimaterjalide osakeste püüdmisel, millest on kasu ka teistel vesinikuvastastes katsetes.
CERNi teadlased olid sellest avastusest loomulikult vaimustuses ja sellel on eeldatavalt drastilised tagajärjed. Lisaks standardmudeli testimise uute võimaluste pakkumisele loodetakse sellega ka kaugele jõuda, et aidata teadlastel mõista, miks universumis on mateeria ja antimaterjali tasakaalustamatus. Järjekordne ülioluline samm täpselt selle teadmiseks, kuidas universum sellisena, nagu me seda teame, sai.
