Už od začiatku existencie antihmoty na začiatku 20. storočia sa vedci snažili pochopiť, ako súvisí s normálnou hmotou a prečo medzi nimi existuje vo vesmíre zjavná nerovnováha. Za týmto účelom sa výskum v oblasti fyziky častíc v posledných niekoľkých desaťročiach zameriaval na antičasticu najelementárnejšieho a najhojnejšieho atómu vo vesmíre - antihydrogénovú časticu.
Až donedávna to bolo veľmi ťažké, pretože vedci boli schopní vyrábať antihydrogén, ale nedokázali ho študovať dlho predtým, ako sa zničil. Ale podľa nedávnej štúdie, ktorá bola uverejnená v roku 2007 Nature, tím využívajúci experiment ALPHA bol schopný získať prvé spektrálne informácie o antihydrogéne. Tento úspech, ktorý bol vo výrobe 20 rokov, mohol otvoriť úplne novú éru výskumu antihmoty.
Meranie toho, ako prvky absorbujú alebo emitujú svetlo - to je spektroskopia - je hlavným aspektom fyziky, chémie a astronómie. Vedcom umožňuje nielen charakterizovať atómy a molekuly, ale umožňuje aj astrofyzikom určiť zloženie vzdialených hviezd analýzou spektra vyžarovaného svetla.
V minulosti sa uskutočňovalo veľa štúdií o spektre vodíka, ktorý predstavuje zhruba 75% všetkej baryónovej hmoty vo vesmíre. Tieto zohrávali dôležitú úlohu v našom chápaní hmoty, energie a vývoja viacerých vedeckých disciplín. Ale donedávna bolo štúdium spektra jeho antičastíc neuveriteľne ťažké.
Pre začiatok je potrebné, aby častice tvoriace antihydrogén - antiprotóny a pozitróny (anti-elektróny) - boli zachytené a ochladené, aby sa mohli spojiť. Ďalej je potrebné udržiavať tieto častice dostatočne dlho na to, aby pozorovali svoje správanie predtým, ako sa nevyhnutne dostanú do kontaktu s normálnou hmotou a zničia.
Našťastie, technológia v posledných niekoľkých desaťročiach pokročila do bodu, keď je teraz možný výskum antihmoty, čo umožňuje vedcom odvodiť, či je fyzika antihmoty v súlade so štandardným modelom alebo či ide nad rámec tohto štandardu. Ako výskumný tím CERN - ktorý viedol Dr. Ahmadi z Katedry fyziky na univerzite v Liverpoole - uviedol vo svojej štúdii:
„Štandardný model predpovedá, že po Veľkom tresku malo byť v prvotnom vesmíre rovnaké množstvo hmoty a antihmoty, ale dnes sa pozoruje, že dnešný vesmír pozostáva takmer výlučne z obyčajnej hmoty. To motivuje fyzikov, aby pozorne študovali antihmotu, aby zistili, či existuje malá asymetria v zákonoch fyziky, ktorými sa riadia dva typy látok. “
Tento výskum sa začal v roku 1996 pomocou experimentu AnTiHydrogEN Apparatus (ATHENA), ktorý je súčasťou zariadenia CERN Antiproton Decelerator. Tento experiment bol zodpovedný za zachytenie antiprotónov a pozitrónov, potom ich ochladenie do bodu, v ktorom sa môžu kombinovať za vzniku anitydrogénu. Od roku 2005 sa táto úloha stala zodpovednosťou nástupcu ATHENY, experimentu ALPHA.
Pomocou aktualizovaných prístrojov ALPHA zachytáva atómy neutrálneho antihydrogénu a drží ich dlhšie obdobie, kým sa nevyhnutne nezničí. Počas tohto obdobia výskumné tímy vykonávajú spektrografickú analýzu pomocou ultrafialového lasera ALPHA, aby zistili, či atómy dodržiavajú rovnaké zákony ako atómy vodíka. Ako Jeffrey Hangst, hovorca spolupráce ALPHA, vysvetlil v aktualizácii CERN:
„Použitie lasera na pozorovanie prechodu v antihydrogéne a jeho porovnanie s vodíkom na zistenie, či sa riadia rovnakými fyzikálnymi zákonmi, bolo vždy hlavným cieľom výskumu antihmoty ... Presúvanie a odchytávanie antiprotónov alebo pozitrónov je jednoduché, pretože sú nabité častice. Ale keď ich skombinujete, získate neutrálny antihydrogén, ktorý je oveľa ťažšie zachytiteľný, a preto sme navrhli veľmi špeciálny magnetický pasca, ktorý sa spolieha na skutočnosť, že antihydrogen je trochu magnetický. ““
Výskumný tím bol tak schopný zmerať frekvenciu svetla potrebnú na prechod pozitrónu z najnižšej úrovne energie na ďalšiu. Zistili, že (v rámci experimentálnych limitov) nebol žiadny rozdiel medzi antihydrogénovými spektrálnymi údajmi a vodíkom. Tieto výsledky sú experimentálne prvé, pretože sú to prvé spektrálne pozorovania, ktoré sa niekedy uskutočnili na atóme antihydrogénu.
Okrem prvého porovnania medzi hmotou a antihmotou tieto výsledky ukazujú, že správanie antihmoty - vzhľadom na jej spektrografické vlastnosti - je v súlade so štandardným modelom. Konkrétne sú v súlade s tým, čo sa nazýva symetria poplatkov a parity času (CPT).
Táto teória symetrie, ktorá je základom zavedenej fyziky, predpovedá, že energetické úrovne v hmote a antihmote budú rovnaké. Ako tím vysvetlil vo svojej štúdii:
„Prvé laserové spektroskopické meranie sme vykonali na atóme antihmoty. Toto je dlho žiadaný úspech vo fyzike nízkoenergetického antihmoty. Znamená to zlom od experimentov založených na princípe overovania zásad až po seriózne porovnania metrológie a presnosti CPT pomocou optického spektra anti-atómu. Aktuálny výsledok ... ukazuje, že testy základných symetrií s antihmotou v AD rýchlo dozrievajú. “
Inými slovami, potvrdenie, že hmota a antihmota majú podobné spektrálne charakteristiky, je ďalším dôkazom, že štandardný model podporuje - rovnako ako objav Higgsovho bosona v roku 2012. Preukázala tiež účinnosť experimentu ALPHA pri zachytávaní častíc antihmoty, čo bude prínosom pre ďalšie antihydrogénové experimenty.
Výskumníci CERN boli samozrejme týmto nálezom veľmi nadšení a očakáva sa, že to bude mať drastické dôsledky. Očakáva sa, že okrem ponúkania nových prostriedkov na testovanie štandardného modelu sa bude musieť urobiť aj dlhá cesta k tomu, aby vedci pochopili, prečo vo vesmíre existuje nerovnováha hmoty a antihmoty. Ďalším zásadným krokom k odhaleniu toho, ako presne sa stal vesmír, ako vieme.
