Od doby, kdy byla na počátku 20. století navržena existence antihmoty, se vědci snažili porozumět tomu, jak souvisí s normální hmotou a proč mezi nimi existuje ve vesmíru zjevná nerovnováha. Za tímto účelem se výzkum částicové fyziky v posledních několika desetiletích zaměřil na antičástici nej elementárnějšího a nejhojnějšího atomu ve vesmíru - antihydrogenní částice.
Až donedávna to bylo velmi obtížné, protože vědci dokázali produkovat antihydrogen, ale nebyli schopni ho studovat dlouho předtím, než bylo zničeno. Ale podle nedávné studie, která byla zveřejněna v roce 2007 Příroda, tým využívající experiment ALPHA byl schopen získat první spektrální informace o antihydrogenech. Tento úspěch, který byl ve výrobě 20 let, mohl otevřít zcela novou éru výzkumu antihmoty.
Měření toho, jak prvky absorbují nebo emitují světlo - tj. Spektroskopie - je hlavním aspektem fyziky, chemie a astronomie. Nejenže umožňuje vědcům charakterizovat atomy a molekuly, ale umožňuje také astrofyzikům určit složení vzdálených hvězd analýzou spektra světla, které vyzařují.
V minulosti bylo provedeno mnoho studií spektra vodíku, což představuje zhruba 75% veškeré baryonské hmoty ve vesmíru. Ty hrály zásadní roli v našem chápání hmoty, energie a vývoje mnoha vědeckých disciplín. Ale donedávna bylo studium spektra jeho antičástic neuvěřitelně obtížné.
Pro začátek to vyžaduje, aby částice, které tvoří antihydrogen - antiprotony a pozitrony (anti-elektrony) - byly zachyceny a ochlazeny, aby se mohly spojit. Kromě toho je nutné tyto částice udržovat dostatečně dlouho, aby pozorovaly jejich chování, než se nevyhnutelně dostanou do kontaktu s normální hmotou a zničí.
Naštěstí technologie v posledních několika desetiletích pokročila do bodu, kdy je nyní možný výzkum antihmoty, což vědcům poskytuje příležitost odvodit, zda je fyzika za antihmotou v souladu se standardním modelem nebo jdoucí za ní. Jak výzkumný tým CERN - který vedl Dr. Ahmadi z Katedry fyziky na University of Liverpool - ve své studii uvedl:
„Standardní model předpovídá, že po velkém třesku by mělo být v prapůvodním vesmíru stejné množství hmoty a antihmoty, ale dnešní vesmír je pozorován tak, že sestává téměř výhradně z obyčejné hmoty. To motivuje fyziky, aby pečlivě studovali antihmotu, aby zjistili, zda existuje malá asymetrie ve fyzických zákonech, kterými se řídí dva typy látek. “
Tento výzkum byl zahájen v roce 1996 pomocí experimentu AnTiHydrogEN Apparatus (ATHENA), který je součástí zařízení CERN Antiproton Decelerator. Tento experiment byl zodpovědný za zachycení antiprotonů a pozitronů a jejich ochlazení do bodu, kdy se mohou kombinovat za vzniku anithydrogenu. Od roku 2005 se tento úkol stal odpovědností nástupce ATHENA, experimentu ALPHA.
Pomocí aktualizovaných přístrojů ALPHA zachycuje atomy neutrálního antihydrogenu a drží je delší dobu, než se nevyhnutelně vyhladí. Během této doby výzkumné týmy provádějí spektrografickou analýzu pomocí ultrafialového laseru ALPHA, aby zjistily, zda atomy dodržují stejné zákony jako atomy vodíku. Jak Jeffrey Hangst, mluvčí spolupráce ALPHA, vysvětlil v aktualizaci CERN:
„Použití laseru k pozorování přechodu v antihydrogenech a jeho srovnání s vodíkem, aby bylo jasné, zda dodržují stejné fyzikální zákony, bylo vždy hlavním cílem výzkumu antihmoty… Přesun a odchyt antiprotonů nebo pozitronů je snadný, protože jsou nabité částice. Ale když zkombinujete dva, získáte neutrální antihydrogen, což je mnohem obtížnější zachytit, a proto jsme vyvinuli velmi speciální magnetickou past, která se spoléhá na skutečnost, že antihydrogen je trochu magnetický. “
Tím byl výzkumný tým schopen měřit frekvenci světla potřebnou k tomu, aby pozitron přešel z nejnižší energetické úrovně na další. Zjistili, že (v experimentálních mezích) nebyl žádný rozdíl mezi antihydrogenovými spektrálními údaji a vodíkem. Tyto výsledky jsou experimentální první, protože se jedná o první spektrální pozorování atomu antihydrogenů.
Kromě umožnění srovnání mezi hmotou a antihmotou poprvé tyto výsledky ukazují, že chování antihmoty - vzhledem ke svým spektrografickým charakteristikám - je v souladu se standardním modelem. Konkrétně jsou v souladu s tím, co je známé jako symetrie Charge-Parity-Time (CPT).
Tato teorie symetrie, která je pro zavedenou fyziku zásadní, předpovídá, že energetické hladiny v hmotě a antihmotě by byly stejné. Jak tým vysvětlil ve své studii:
"Provedli jsme první laserové spektroskopické měření na atomu antihmoty." Toto je dlouho hledaný úspěch ve fyzice antihmoty s nízkou energií. Označuje zlom od experimentů založených na zásadách až po seriózní porovnávání metrologie a přesnosti CPT pomocí optického spektra anti-atomu. Aktuální výsledek… prokazuje, že testy základních symetrií s antihmotou v AD rychle zrají. “
Jinými slovy, potvrzení, že hmota a antihmota mají podobné spektrální vlastnosti, je dalším důkazem, že standardní model drží - stejně jako objev Higgsova bosona v roce 2012. Rovněž prokázala účinnost experimentu ALPHA při zachycování částic antihmoty, což bude mít přínos i pro další antihydrogenové experimenty.
Přirozeně byli výzkumníci CERN tímto nálezem velmi nadšeni a očekává se, že bude mít drastické důsledky. Kromě toho, že nabízí nový způsob testování standardního modelu, se také očekává, že půjde dlouhá cesta k tomu, aby vědcům pomohlo pochopit, proč ve vesmíru existuje nerovnováha hmoty a antihmoty. Ještě další zásadní krok k odhalení toho, jak přesně se vesmír objevil.
