Amióta az antianyag létezését a 20. század elején javasolták, a tudósok megpróbálták megérteni, hogyan kapcsolódik a normál anyaghoz, és miért van nyilvánvaló egyensúlyhiány a kettő között az Univerzumban. Ennek érdekében az elmúlt évtizedek részecskefizikai kutatásainak középpontjában az univerzum legelemesebb és legszélesebb atomjának - az antihidrogén-részecskenek - a részecske-ellenes részecske állt.
A közelmúltig ez nagyon nehéz volt, mivel a tudósok képesek voltak antihidrogént előállítani, ám ezt még sokáig nem tudták tanulmányozni, mielőtt elpusztult volna. A közelmúltban azonban a Természet, az ALPHA kísérletet végző csapat képes volt megszerezni az első spektrális információkat az antihidrogénről. Ez a 20 év alatt elért eredmény egy teljesen új korszakot nyithatott meg az antianyag-kutatás területén.
A fizika, a kémia és a csillagászat egyik fő szempontja az elemek fényszóró képességének mérése - azaz spektroszkópia. Ez nem csupán lehetővé teszi a tudósok számára az atomok és molekulák jellemzését, hanem lehetővé teszi az asztrofizikusok számára, hogy a távoli csillagok összetételét meghatározzák az általuk kibocsátott fény spektrumának elemzésével.
A múltban számos tanulmányt végeztek a hidrogén spektrumáról, amely az univerzumban a baryon tömegének körülbelül 75% -át teszi ki. Ezek létfontosságú szerepet játszottak az anyag, az energia megértésében és a több tudományos tudományág fejlődésében. De a közelmúltig hihetetlenül nehéz volt a részecske-ellenes spektrum tanulmányozása.
A kezdőknek megkövetelik, hogy az antihidrogént alkotó részecskéket - antiprotoneket és pozitronokat (anti-elektronokat) - elfogják és lehűtik, hogy összeférjenek. Ezenkívül ezeket a részecskéket elég hosszú ideig fenn kell tartani, hogy megfigyeljék viselkedésüket, mielőtt elkerülhetetlenül kapcsolatba kerülnek a normál anyaggal és megsemmisülnek.
Szerencsére a technológia az elmúlt néhány évtizedben olyan fejlõdést ért el, hogy az antianyagokkal kapcsolatos kutatások ma már lehetségesek, így a tudósoknak lehetõséget adtak arra, hogy levonják, hogy az antianyag mögötti fizika megfelel-e a standard modellnek, vagy meghaladja-e azt. Ahogyan a CERN kutatócsoport - amelyet Dr. Ahmadi, a Liverpool Egyetem Fizikai Tanszékének vezetése alatt álltak tanulmányukban:
„A standard modell azt jósolja, hogy az elsődleges univerzumban a Nagyrobbanás után azonos mennyiségű anyagnak és antianyagnak kellett lennie, ám a mai univerzum szinte teljes egészében rendes anyagból áll. Ez arra ösztönzi a fizikusokat, hogy körültekintően tanulmányozzák az antianyagot, hogy kiderüljön, van-e kis aszimmetria a fizika törvényeiben, amelyek a kétféle anyagot szabályozzák. "
1996 elejétől ezt a kutatást az AnTiHydrogEN Apparat (ATHENA) kísérlettel végezték, amely a CERN Antiproton Decelerator eszköz része. Ez a kísérlet az antiprotonok és a pozitronok elfogásáért, majd azok hűtéséig terjedt, ahol összekapcsolódtak, és így hidrogénnel képződtek. 2005 óta ez a feladat az ATHENA utódjának, az ALPHA kísérletnek a felelőssége.
Frissített eszközökkel az ALPHA elfogja a semleges antihidrogén atomjait és hosszabb ideig megtartja azokat, mielőtt elkerülhetetlenül elpusztulnának. Ezen idő alatt a kutatócsoportok spektrográfiai elemzéseket végeznek az ALPHA ultraibolya lézer alkalmazásával annak ellenőrzésére, hogy az atomok ugyanazokat a törvényeket tartják-e be, mint a hidrogén atomok. Ahogy Jeffrey Hangst, az ALPHA együttműködés szóvivője a CERN frissítésében kifejtette:
„Az antihidrén átmenetének megfigyelésére lézerrel történő összehasonlítás és a hidrogén összehasonlítása annak ellenőrzése érdekében, hogy megfelelnek-e ugyanazoknak a fizikai törvényeknek, mindig is az antimatikus kutatások egyik fő célja volt. Az antiprotonok vagy pozitronok mozgatása és csapdája egyszerű, mivel töltött részecskék vannak. De amikor összekapcsolják a kettőt, akkor semleges antihidrogént kapnak, amelyet sokkal nehezebb csapdába ültetni, tehát egy nagyon különleges mágneses csapdát terveztünk, amely arra a tényre támaszkodik, hogy az antihidrogén egy kicsit mágneses. "
Ennek során a kutatócsoport képes volt megmérni a fény frekvenciáját, amely ahhoz szükséges, hogy a pozitron a legalacsonyabb energiaszintről a következőre váltson. Azt találták, hogy (a kísérleti határokon belül) nem volt különbség az antihidrogén és a hidrogén spektrum adatai között. Ezek az eredmények egy kísérleti először, mivel ezek az első spektrális megfigyelések, amelyeket valaha egy antihidrogén atomról végeztek.
Amellett, hogy először lehetővé tette az anyag és az antianyag összehasonlítását, ezek az eredmények azt mutatják, hogy az antianyag viselkedése - szemben a spektrográfiai jellemzőkkel - összhangban áll a szokásos modellel. Pontosabban, összhangban vannak a töltés-paritás-idő (CPT) szimmetriával.
Ez a szimmetriaelmélet, amely alapvető fontosságú a megalapozott fizika számára, azt jósolja, hogy az anyag és az antianyag energiaszintje azonos lesz. Ahogy a csapat kifejtette tanulmányában:
„Az első lézerspektroszkópiai mérést elvégeztük egy antianyag atomján. Ez az energiatakarékos antianyag-fizika területén régóta keresett eredmény. Fordulópontot jelent az elv-ellenőrzés kísérletektől a komoly metrológiai és precíziós CPT-összehasonlításokig, egy anti-atom optikai spektrumát használva. A jelenlegi eredmény… azt bizonyítja, hogy az antianyaggal történő alapszimmetriák tesztelése az AD-ban gyorsan lejár. ”
Más szavakkal: annak megerősítése, hogy az anyagnak és az antianyagnak hasonló spektrumjellemzői, még egy utalás arra, hogy a standard modell fenntartja - csakúgy, mint a Higgs Boson 2012-es felfedezése. Bebizonyította továbbá az ALPHA kísérlet hatékonyságát az antianyag részecskék csapdázásában, amely más antihidrogén kísérletek előnyeit is szolgálja.
A CERN kutatóit természetesen nagyon izgatotta ez a lelet, és várhatóan drasztikus következményekkel jár. A standard modell tesztelésének új módszere mellett a várakozásoknak is nagy előrelépést kell tenniük annak érdekében, hogy segítsék a tudósokat annak megértésében, hogy miért van az anyag-antimatikus egyensúlyhiány az univerzumban. Még egy döntő lépés annak felfedezéséhez, hogy pontosan hogyan alakul ki az Univerzum, ahogyan tudjuk.
