Lige siden antistoffets eksistens blev foreslået i begyndelsen af det 20. århundrede, har forskere forsøgt at forstå, hvordan de relaterer til normal stof, og hvorfor der er en tilsyneladende ubalance mellem de to i universet. For at gøre dette har forskning i partikelfysik i de sidste par årtier fokuseret på antipartiklen fra det mest elementære og rigelige atom i universet - antihydrogenpartiklen.
Indtil for nylig har dette været meget vanskeligt, da forskere har været i stand til at fremstille antihydrogen, men ikke i stand til at studere det længe før det udslettede. Men ifølge en nylig undersøgelse, der blev offentliggjort i Natur, et team, der brugte ALPHA-eksperimentet, var i stand til at opnå den første spektrale information om antihydrogen. Denne præstation, der var 20 år i gang, kunne åbne en helt ny æra med forskning i antimaterie.
Måling af, hvordan elementer absorberer eller udsender lys - dvs. spektroskopi - er et vigtigt aspekt af fysik, kemi og astronomi. Det tillader ikke kun forskere at karakterisere atomer og molekyler, det tillader astrofysikere at bestemme sammensætningen af fjerne stjerner ved at analysere spektret for det lys, de udsender.
Tidligere er der blevet foretaget mange undersøgelser af brintspektret, der udgør cirka 75% af al baryonmasse i universet. Disse har spillet en vigtig rolle i vores forståelse af stof, energi og udviklingen af flere videnskabelige discipliner. Men indtil for nylig har det været utroligt vanskeligt at studere spektret af dets anti-partikel.
Til at begynde med kræver det, at partiklerne, der udgør antihydrogen - antiprotoner og positroner (antielektroner) - indfanges og afkøles, så de kan komme sammen. Derudover er det derefter nødvendigt at opretholde disse partikler længe nok til at observere deres opførsel, før de uundgåeligt kommer i kontakt med normalt stof og udslettes.
Heldigvis har teknologien udviklet sig i de sidste par årtier til det punkt, hvor forskning i antimateriale nu er mulig, hvilket giver forskere muligheden for at udlede, om fysikken bag antimateriel er i overensstemmelse med standardmodellen eller går ud over den. Som CERN-forskerteamet - som blev ledet af Dr. Ahmadi fra Institut for Fysik ved University of Liverpool - angav i deres undersøgelse:
”Standardmodellen forudsiger, at der burde have været lige store mængder af stof og antimaterie i det primære univers efter Big Bang, men dagens univers ses i det væsentlige udelukkende af almindelig stof. Dette motiverer fysikere til omhyggeligt at studere antimaterie, for at se, om der er en lille asymmetri i fysikens love, der styrer de to typer stof. ”
Begyndende i 1996 blev denne forskning udført ved hjælp af AnTiHydrogEN Apparatus (ATHENA) eksperimentet, en del af CERN Antiproton Decelerator-anlægget. Dette eksperiment var ansvarlig for at fange antiprotoner og positroner og derefter afkøle dem til det punkt, hvor de kan kombineres til dannelse af anithydrogen. Siden 2005 er denne opgave blevet ansvaret for ATHENAs efterfølger, ALPHA-eksperimentet.
Ved hjælp af opdaterede instrumenter fanger ALPHA atomer med neutral antihydrogen og holder dem i en længere periode, inden de uundgåeligt udslettes I løbet af denne tid foretager forskerteam spektrografisk analyse ved hjælp af ALPHAs ultraviolette laser for at se, om atomerne overholder de samme love som brintatomer. Som Jeffrey Hangst, talsmand for ALPHA-samarbejdet, forklarede i en CERN-opdatering:
”At bruge en laser til at observere en overgang i antihydrogen og sammenligne den med brint for at se, om de overholder de samme fysiske love har altid været et centralt mål for antimateriforskning ... At flytte og fange antiprotoner eller positroner er let, fordi de er ladede partikler. Men når du kombinerer de to får du neutral antihydrogen, hvilket er langt vanskeligere at fælde, så vi har designet en meget speciel magnetisk fælde, der er afhængig af, at antihydrogen er en smule magnetisk. ”
Dermed kunne forskerteamet måle den frekvens af lys, der var nødvendig for at få en positron til at overgå fra dets laveste energiniveau til det næste. Det, de fandt, var, at (inden for eksperimentelle grænser) var der ingen forskel mellem antihydrogen-spektraldata og brint. Disse resultater er først en eksperimentel, da de er de første spektrale observationer nogensinde foretaget af et antihydrogenatom.
Ud over at give mulighed for sammenligninger mellem stof og antimaterie for første gang, viser disse resultater, at antimateriets opførsel - i forhold til dens spektrografiske egenskaber - er i overensstemmelse med standardmodellen. Specifikt er de i overensstemmelse med, hvad der kaldes Charge-Parity-Time (CPT) -symmetri.
Denne symmetri teori, som er grundlæggende for den etablerede fysik, forudsiger, at energiniveauet i stof og antimaterie ville være det samme. Som teamet forklarede i deres undersøgelse:
”Vi har udført den første laserspektroskopiske måling på et antimaterialeatom. Dette har længe været en efterspurgt præstation inden for antimaterifysik med lav energi. Det markerer et vendepunkt fra proof-of-princip-eksperimenter til seriøs metrologi og præcision CPT-sammenligninger ved hjælp af det optiske spektrum for et anti-atom. Det nuværende resultat… demonstrerer, at test af grundlæggende symmetrier med antimaterie ved AD modnes hurtigt. ”
Med andre ord er bekræftelsen af, at materie og antimaterie har lignende spektrale egenskaber, endnu en indikation af, at standardmodellen holder op - ligesom opdagelsen af Higgs Boson i 2012 gjorde. Det demonstrerede også effektiviteten af ALPHA-eksperimentet ved at fange antimaterielle partikler, hvilket vil have fordele ved andre antihydrogeneksperimenter.
Naturligvis var CERN-forskerne meget begejstrede for dette fund, og det forventes at have drastiske implikationer. Ud over at tilbyde et nyt middel til at teste standardmodellen forventes det også, at det går langt for at hjælpe forskere med at forstå, hvorfor der er en ubalance mellem materie og antimateriale i universet. Endnu et vigtigt skridt i at opdage nøjagtigt, hvordan universet, som vi kender det kom til at være.
