Et boblende, skurrent vakuum fylder kvanterummet og forvrænger formen af hvert brintatom i universet. Og nu ved vi, at det også forvrider brintets bizarro-verdens antimaterie-tvilling: antihydrogen.
Antimaterie er et lidt forstået stof, sjældent i vores univers, der efterligner næsten perfekt, men med alle egenskaber vendt rundt. For eksempel er elektroner små partikler, der bærer negativ ladning. Deres antimaterielle tvillinger er små "positroner", der bærer en positiv ladning. Kombiner en elektron og en proton (en større, positivt ladet stofpartikel), så får du et simpelt brintatom. Kombiner et antimaterie-positron med et "antiproton", så får du antihydrogen. Når almindeligt stof og antimaterie berører, ødelægger sagen og antimaterielle partikler hinanden.
I øjeblikket ser antimaterie ud til at være den perfekte, antagonistiske tvilling af materie, og et af fysikens store mysterier er grunden til, at materien kom til at dominere rummet, da antimaterien blev en smule spiller i universet. At finde en forskel mellem de to kunne hjælpe med at forklare strukturen i det moderne univers.
Lammeskiftet var et godt sted at se efter den slags forskel, sagde Makoto Fujiwara, en canadisk partikelfysiker tilknyttet CERN og medforfatter til den nye undersøgelse, der blev offentliggjort 19. februar i tidsskriftet Nature. Kvantefysikere har kendt til denne mærkelige kvanteffekt, opkaldt efter University of Arizona-fysiker Willis Lamb, siden 1947. På den første store konference efter amerikanske fysikere, afslørede Lamb, at noget uset inde i hydrogenatomer skubber på deres indre partikler og skaber et større hul mellem protonen og den omløbende elektron end den eksisterende nukleare teori tillader.
"Groft sagt er lammeskiftet en fysisk manifestation af effekten af 'vakuumet'," fortalte Fujiwara til Live Science. ”Når du normalt tænker over vakuumet, tænker du på 'intet.' I henhold til teorien om kvantefysik er vakuumet fyldt med de såkaldte 'virtuelle partikler', som konstant bliver født og ødelagt. "
Den uhyggelige bobling af korte, halv-rigtige partikler har reelle virkninger på det omgivende univers. Og inde i hydrogenatomer skaber det et tryk, der adskiller de to bundne partikler. Den uventede opdagelse vandt Lamb 1955 Nobelprisen i fysik.
Men selvom fysikere i årtier har vidst, at Lammeskiftet ændrede brint, havde de ingen idé om, hvorvidt det også påvirkede antihydrogen.
Fujiwara og hans coauthors ville finde ud af det.
"Det overordnede mål med vores studier er at se, om der er nogen forskel mellem brint og antihydrogen, og vi ved ikke på forhånd, hvor en sådan forskel kan dukke op," fortalte Fujiwara til Live Science.
For at undersøge spørgsmålet indsamlede forskerne omhyggeligt prøver af antihydrogen ved hjælp af Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA) antimaterieeksperiment ved Den Europæiske Organisation for Nuklear Forskning (CERN), kontinentets kæmpe nukleære fysiklaboratorium. ALPHA tager et par timer at generere en antihydrogenprøve, der er stor nok til at arbejde med, sagde Fujiwara.
Det suspenderer stoffet i magnetiske felter, der afviser stof. ALPHA-forskere ramte derefter det fangede antihydrogen med laserlys for at undersøge, hvordan antimaterialet interagerer med fotonerne, hvilket kan afsløre skjulte egenskaber ved de små anti-atomer.
Efter at have gentaget deres eksperiment et dusin gange på forskellige antihydrogenprøver under forskellige betingelser, fandt ALPHA-forskerne ingen forskel mellem Lammeskiftet i brint og lammeskiftet i antihydrogen, som deres instrumenter kunne registrere.
"I øjeblikket er der ingen kendt forskel mellem de grundlæggende egenskaber ved antihydrogen og almindeligt brint," sagde Fujiwara. "Hvis vi finder nogen forskel, selv den mindste mængde, ville det tvinge en radikal ændring i den måde, vi forstår vores fysiske univers på."
Selvom forskerne endnu ikke har fundet nogen forskelle, er antihydrogenfysik stadig et ungt felt. Fysikere havde ikke engang nogen let studerede prøver af de ting indtil 2002, og ALPHA begyndte ikke rutinemæssigt at fange brintprøver indtil 2011.
Denne opdagelse er et "første skridt," sagde Fujiwara, men der er stadig meget mere tilbage at studere, før fysikere virkelig vil forstå, hvordan brint og antihydrogen sammenligner.
