Откакто съществуването на антиматерия е било предложено в началото на 20 век, учените са се опитали да разберат как е свързана с нормалната материя и защо има очевиден дисбаланс между двете във Вселената. За да направите това, изследванията на физиката на частиците през последните няколко десетилетия се съсредоточиха върху анти-частицата на най-елементарния и изобилен атом във Вселената - антихидрогенната частица.
Доскоро това беше много трудно, тъй като учените успяха да произвеждат антихидроген, но не успяха да го изучат дълго, преди той да се унищожи. Но според скорошно проучване, публикувано през Природа, екип, използващ експеримента с ALPHA, успя да получи първата спектрална информация за антихидрогена. Това постижение, което беше 20 години в процес на създаване, може да отвори изцяло нова ера на изследване на антиматерията.
Измерването на това как елементите поглъщат или излъчват светлина - т.е. спектроскопия - е основен аспект на физиката, химията и астрономията. Той не само позволява на учените да характеризират атоми и молекули, той позволява на астрофизиците да определят състава на далечни звезди, като анализират спектъра на светлината, която излъчват.
В миналото са проведени много изследвания върху спектъра на водорода, който представлява приблизително 75% от цялата барионна маса във Вселената. Те изиграха жизненоважна роля в нашето разбиране на материята, енергията и еволюцията на множество научни дисциплини. Но доскоро изучаването на спектъра на анти-частиците му беше невероятно трудно.
За начало е необходимо частиците, които представляват антихидроген - антипротони и позитрони (антиелектрони), да бъдат улавяни и охлаждани, за да могат да се съберат. Освен това е необходимо тези частици да се поддържат достатъчно дълго, за да се наблюдава тяхното поведение, преди те неизбежно да осъществят контакт с нормална материя и да унищожат.
За щастие, технологията е прогресирала през последните няколко десетилетия до момента, в който изследванията в антиматерията вече са възможни, като по този начин се дава възможност на учените да установят дали физиката зад антиматерията е в съответствие със стандартния модел или надхвърля тази. Както изследователският екип на CERN - ръководен от д-р Ахмади от катедрата по физика в Университета в Ливърпул - посочи в своето проучване:
„Стандартният модел прогнозира, че е трябвало да има еднакви количества материя и антиматерия в първичната Вселена след Големия взрив, но днешната Вселена се състои почти изцяло от обикновена материя. Това мотивира физиците внимателно да изучават антиматерията, за да видят дали има малка асиметрия в законите на физиката, които управляват двата вида материя. "
В началото на 1996 г. това изследване се провежда с помощта на експеримента на апарата AnTiHydrogEN (ATHENA), част от съоръжението за антипротонни ускорители на CERN. Този експеримент е отговорен за улавяне на антипротони и позитрони, след което ги охлажда до точката, в която те могат да се комбинират, за да образуват анидироген. От 2005 г. тази задача стана отговорност на наследника на ATHENA, експеримента ALPHA.
Използвайки актуализирани инструменти, ALPHA улавя атомите на неутрален антихидроген и ги задържа за по-дълъг период, преди неизбежно да ги унищожи През това време изследователските екипи провеждат спектрографски анализ, използвайки ултравиолетовия лазер на ALPHA, за да видят дали атомите спазват същите закони като водородните атоми. Както Джефри Хангст, говорител на сътрудничеството в ALPHA, обясни в актуализация на CERN:
„Използването на лазер за наблюдение на преход в антихидрогена и сравняването му с водорода, за да се види дали те се подчиняват на едни и същи закони на физиката, винаги е било ключова цел на изследването на антиматерията… Преместването и улавянето на антипротони или позитрони е лесно, защото те са заредени частици. Но когато комбинирате двата, получавате неутрален антихидроген, който е много по-труден за улавяне, така че ние създадохме много специален магнитен капан, който разчита на факта, че антихидрогенът е малко магнитен.
По този начин изследователският екип успя да измери честотата на светлината, необходима, за да предизвика позитрон да премине от най-ниското си енергийно ниво към следващото. Те откриха, че (в експериментални граници) няма разлика между спектралните данни за антихидрогена и тези на водорода. Тези резултати са първо експериментални, тъй като те са първите спектрални наблюдения, правени някога от антихидрогенен атом.
Освен че позволяват за първи път да се правят сравнения между материя и антиматерия, тези резултати показват, че поведението на антиматерията - по отношение на нейните спектрографски характеристики - е в съответствие със стандартния модел. По-конкретно, те съответстват на това, което е известно като симетрия Charge-Parity-Time (CPT).
Тази теория на симетрията, която е основна за установената физика, предвижда нивата на енергия в материята и антиматерията да са еднакви. Както екипът обясни в своето проучване:
„Извършихме първото лазерно-спектроскопско измерване на атом на антиматерията. Това отдавна е търсено постижение във физиката на антиматерията с ниска енергия. Той отбелязва повратна точка от експериментите с доказателство на принципа до сериозна метрология и прецизни сравнения на CPT, използвайки оптичния спектър на анти-атом. Настоящият резултат ... показва, че тестовете на фундаментални симетрии с антиматерия при AD съзряват бързо. "
С други думи, потвърждението, че материята и антиматерията имат сходни спектрални характеристики, е още едно показание, че Стандартният модел се задържа - точно както откриването на Хигс Босон през 2012 г. Той също така демонстрира ефективността на експеримента с ALPHA при улавяне на антиматериални частици, което ще има ползи от други антихидрогенни експерименти.
Естествено, изследователите от ЦЕРН бяха много развълнувани от тази находка и се очаква да има драстични последици. Освен предлагането на нови средства за тестване на стандартния модел, също се очаква да се извърви дълъг път към подпомагане на учените да разберат защо има Вселената-антиматериален дисбаланс във Вселената. Още една решаваща стъпка към откриването на точно каква е Вселената, каквато ни е известна.
