Από τότε που η ύπαρξη αντιύλης προτάθηκε στις αρχές του 20ου αιώνα, οι επιστήμονες προσπάθησαν να καταλάβουν πώς σχετίζεται με την κανονική ύλη και γιατί υπάρχει μια προφανής ανισορροπία μεταξύ των δύο στο Σύμπαν. Για να γίνει αυτό, η έρευνα φυσικής των σωματιδίων τις τελευταίες δεκαετίες επικεντρώθηκε στο αντι-σωματίδιο του πιο στοιχειώδους και άφθονου ατόμου στο Σύμπαν - το αντι-υδρογόνο σωματίδιο.
Μέχρι πρόσφατα, αυτό ήταν πολύ δύσκολο, καθώς οι επιστήμονες μπόρεσαν να παράγουν αντιϋδρογόνο, αλλά δεν μπόρεσαν να το μελετήσουν για πολύ καιρό πριν εξαφανιστεί. Αλλά σύμφωνα με πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Φύση, μια ομάδα που χρησιμοποιεί το πείραμα ALPHA μπόρεσε να λάβει τις πρώτες φασματικές πληροφορίες για το αντιϋδρογόνο. Αυτό το επίτευγμα, που ήταν 20 χρόνια στην παραγωγή, θα μπορούσε να ανοίξει μια εντελώς νέα εποχή έρευνας για την αντιύλη.
Η μέτρηση του τρόπου με τον οποίο τα στοιχεία απορροφούν ή εκπέμπουν φως - δηλαδή φασματοσκοπία - είναι μια σημαντική πτυχή της φυσικής, της χημείας και της αστρονομίας. Όχι μόνο επιτρέπει στους επιστήμονες να χαρακτηρίσουν άτομα και μόρια, αλλά επιτρέπει στους αστροφυσικούς να προσδιορίσουν τη σύνθεση των μακρινών αστεριών αναλύοντας το φάσμα του φωτός που εκπέμπουν.
Στο παρελθόν, πολλές μελέτες έχουν διεξαχθεί στο φάσμα του υδρογόνου, το οποίο αποτελεί περίπου το 75% του συνόλου της βαρυονικής μάζας στο Σύμπαν. Αυτά έπαιξαν ζωτικό ρόλο στην κατανόηση της ύλης, της ενέργειας και της εξέλιξης πολλαπλών επιστημονικών επιστημών. Όμως μέχρι πρόσφατα, η μελέτη του φάσματος των αντι-σωματιδίων ήταν εξαιρετικά δύσκολη.
Για αρχάριους, τα σωματίδια που αποτελούν αντιϋδρογόνο - αντιπρωτόνια και ποζιτρόνια (αντι-ηλεκτρόνια) - συλλαμβάνονται και ψύχονται έτσι ώστε να μπορούν να ενώνονται. Επιπλέον, είναι απαραίτητο στη συνέχεια να διατηρηθούν αυτά τα σωματίδια αρκετά καιρό για να παρατηρήσουν τη συμπεριφορά τους, προτού αναπόφευκτα έρθουν σε επαφή με την κανονική ύλη και εκμηδενίσουν.
Ευτυχώς, η τεχνολογία έχει προχωρήσει τις τελευταίες δεκαετίες στο σημείο όπου είναι δυνατή η έρευνα για την αντιύλη, δίνοντας έτσι στους επιστήμονες την ευκαιρία να συμπεράνουν αν η φυσική πίσω από την αντιύλη είναι σύμφωνη με το Πρότυπο Μοντέλο ή πέρα από αυτό. Καθώς η ερευνητική ομάδα του CERN - την οποία ηγήθηκε ο Δρ Ahmadi του Τμήματος Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Λίβερπουλ - έδειξε στη μελέτη τους:
«Το πρότυπο μοντέλο προβλέπει ότι θα έπρεπε να υπήρχαν ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης στο αρχέγονο σύμπαν μετά το Big Bang, αλλά το σημερινό σύμπαν παρατηρείται ότι αποτελείται σχεδόν εξ ολοκλήρου από συνηθισμένη ύλη. Αυτό παρακινεί τους φυσικούς να μελετήσουν προσεκτικά την αντιύλη, για να δουν αν υπάρχει μια μικρή ασυμμετρία στους νόμους της φυσικής που διέπουν τους δύο τύπους ύλης. "
Ξεκινώντας το 1996, αυτή η έρευνα διεξήχθη χρησιμοποιώντας το πείραμα AnTiHydrogEN Apparatus (ATHENA), μέρος της εγκατάστασης CERN Antiproton Decelerator. Αυτό το πείραμα ήταν υπεύθυνο για τη σύλληψη αντιπρωτονίων και ποζιτρονίων, στη συνέχεια ψύξη τους στο σημείο που μπορούν να συνδυαστούν για να σχηματίσουν ανυδρογόνο. Από το 2005, αυτό το καθήκον έγινε ευθύνη του διαδόχου του ATHENA, του πειράματος ALPHA.
Χρησιμοποιώντας ενημερωμένα όργανα, η ALPHA συλλαμβάνει άτομα ουδέτερου αντιυδρογόνου και τα κρατά για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα προτού να εξαφανιστεί αναπόφευκτα Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, ερευνητικές ομάδες διεξάγουν φασματογραφική ανάλυση χρησιμοποιώντας το υπεριώδες λέιζερ της ALPHA για να δουν αν τα άτομα υπακούουν στους ίδιους νόμους με τα άτομα υδρογόνου. Όπως εξήγησε ο Jeffrey Hangst, εκπρόσωπος της συνεργασίας ALPHA σε μια ενημέρωση του CERN:
«Η χρήση λέιζερ για την παρακολούθηση μιας μετάβασης στο αντιϋδρογόνο και η σύγκριση του με το υδρογόνο για να δούμε αν υπακούουν στους ίδιους νόμους της φυσικής υπήρξε ανέκαθεν βασικός στόχος της έρευνας για την αντιύλη… Η μεταφορά και η παγίδευση αντιπρωτονίων ή ποζιτρονίων είναι εύκολη επειδή είναι φορτισμένα σωματίδια. Αλλά όταν συνδυάζετε τα δύο παίρνετε ουδέτερο αντιυδρογόνο, το οποίο είναι πολύ πιο δύσκολο να παγιδευτεί, οπότε έχουμε σχεδιάσει μια πολύ ειδική μαγνητική παγίδα που βασίζεται στο γεγονός ότι το αντιϋδρογόνο είναι λίγο μαγνητικό. "
Με τον τρόπο αυτό, η ερευνητική ομάδα μπόρεσε να μετρήσει τη συχνότητα του φωτός που απαιτείται για να προκαλέσει τη μετάβαση ενός ποζιτρονίου από το χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας στο επόμενο. Αυτό που βρήκαν ήταν ότι (εντός πειραματικών ορίων) δεν υπήρχε διαφορά μεταξύ των φασματικών δεδομένων κατά του υδρογόνου και εκείνων του υδρογόνου. Αυτά τα αποτελέσματα είναι πρώτα πειραματικά, καθώς είναι οι πρώτες φασματικές παρατηρήσεις που έγιναν ποτέ από ένα άτομο κατά του υδρογόνου.
Εκτός από το ότι επιτρέπουν τη σύγκριση μεταξύ ύλης και αντιύλης για πρώτη φορά, αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η συμπεριφορά της αντιύλης - σε σχέση με τα φασματογραφικά της χαρακτηριστικά - είναι σύμφωνη με το πρότυπο μοντέλο. Συγκεκριμένα, συνάδουν με αυτό που είναι γνωστό ως συμμετρία Charge-Parity-Time (CPT).
Αυτή η θεωρία συμμετρίας, η οποία είναι θεμελιώδης για την καθιερωμένη φυσική, προβλέπει ότι τα επίπεδα ενέργειας στην ύλη και την αντιύλη θα είναι τα ίδια. Όπως εξήγησε η ομάδα στη μελέτη τους:
«Έχουμε πραγματοποιήσει την πρώτη φασματοσκοπική μέτρηση λέιζερ σε ένα άτομο αντιύλης. Αυτό ήταν από καιρό ένα περιζήτητο επίτευγμα στη φυσική αντιύλης χαμηλής ενέργειας. Σημειώνει ένα σημείο καμπής από πειράματα απόδειξης αρχής σε σοβαρές συγκρίσεις μετρολογίας και ακριβείας CPT χρησιμοποιώντας το οπτικό φάσμα ενός αντι-ατόμου. Το τρέχον αποτέλεσμα… αποδεικνύει ότι οι δοκιμές θεμελιωδών συμμετριών με αντιύλη στο AD ωριμάζουν γρήγορα. ”
Με άλλα λόγια, η επιβεβαίωση ότι η ύλη και η αντιύλη έχουν παρόμοια φασματικά χαρακτηριστικά είναι μια ακόμη ένδειξη ότι το πρότυπο μοντέλο διατηρεί - όπως ακριβώς και η ανακάλυψη του Higgs Boson το 2012. Επίσης κατέδειξε την αποτελεσματικότητα του πειράματος ALPHA στην παγίδευση σωματιδίων αντιύλης, τα οποία θα ωφελήσουν άλλα πειράματα κατά του υδρογόνου.
Φυσικά, οι ερευνητές του CERN ήταν πολύ ενθουσιασμένοι με αυτό το εύρημα και αναμένεται να έχει δραστικές επιπτώσεις. Πέραν της προσφοράς ενός νέου μέσου δοκιμής του Standard Model, αναμένεται επίσης να βοηθήσει πολύ τους επιστήμονες να κατανοήσουν γιατί υπάρχει μια ανισορροπία ύλης-αντιύλης στο Σύμπαν. Ένα ακόμη σημαντικό βήμα για να ανακαλύψουμε ακριβώς πώς το Σύμπαν, όπως ξέρουμε, έγινε.
