Kopš 20. gadsimta sākumā tika ierosināta antimateriāla pastāvēšana, zinātnieki centās izprast, kā tie ir saistīti ar parasto matēriju un kāpēc Visumā pastāv acīmredzama nelīdzsvarotība starp abiem. Lai to izdarītu, daļiņu fizikas pētījumos pēdējās desmitgadēs galvenā uzmanība ir pievērsta visvienkāršākā un visbagātākā atoma antidaļiņām - antiūdeņraža daļiņai.
Vēl nesen tas bija ļoti grūti, jo zinātnieki spēja ražot antiūdeņradi, bet ilgi pirms tā iznīcināšanas nespēja to izpētīt. Bet saskaņā ar neseno pētījumu, kas tika publicēts Daba, komanda, kas izmantoja ALPHA eksperimentu, spēja iegūt pirmo spektrālo informāciju par antiūdeņradi. Šis sasniegums, kura izstrāde bija 20 gadu, varētu sākt pilnīgi jaunu antimateriālu pētījumu laikmetu.
Mērīšana, kā elementi absorbē vai izstaro gaismu, t.i., spektroskopija, ir fizikas, ķīmijas un astronomijas galvenais aspekts. Tas ne tikai ļauj zinātniekiem raksturot atomus un molekulas, bet arī ļauj astrofiziķiem noteikt tālu zvaigžņu sastāvu, analizējot to izstarotās gaismas spektru.
Agrāk ir veikti daudzi pētījumi par ūdeņraža spektru, kas veido aptuveni 75% no visas Visuma baronu masas. Tiem ir bijusi nozīmīga loma mūsu izpratnē par matēriju, enerģiju un vairāku zinātnisko disciplīnu attīstību. Bet vēl nesen tā antidaļiņu spektra izpēte bija neticami sarežģīta.
Iesācējiem tas prasa, lai daļiņas, kas veido antiūdeņradi, - antiprotoni un pozitroni (antielektroni) - tiktu notvertas un atdzesētas, lai tās varētu sakrist. Turklāt šīs daļiņas ir jāuztur pietiekami ilgi, lai novērotu viņu uzvedību, pirms tās neizbēgami nonāk saskarē ar parasto vielu un iznīcina.
Par laimi, tehnoloģija dažās pēdējās desmitgadēs ir progresējusi līdz vietai, kurā tagad ir iespējami antimateriāla pētījumi, tādējādi dodot zinātniekiem iespēju secināt, vai antimatērijas fizika atbilst standarta modelim vai pārsniedz to. Kā savā pētījumā norādīja CERN pētījumu grupa, kuru vadīja Dr. Ahmadi no Liverpūles Universitātes Fizikas departamenta:
“Standarta modelis paredz, ka sākotnējā Visumā pēc lielā sprādziena būtu bijis jābūt vienādam matērijas un antimateriāla daudzumam, taču tiek novērots, ka mūsdienu Visums gandrīz pilnībā sastāv no parastās matērijas. Tas motivē fizikus rūpīgi izpētīt antimateriālu, lai redzētu, vai fizikas likumos ir neliela asimetrija, kas regulē divus matērijas veidus. ”
Kopš 1996. gada šis pētījums tika veikts, izmantojot AnTiHydrogEN aparāta (ATHENA) eksperimentu, kas ir daļa no CERN Antiproton paātrinātāja iekārtas. Šis eksperiments bija atbildīgs par antiprotonu un pozitronu uztveršanu, pēc tam tos atdzesējot līdz vietai, kur tie var apvienoties, veidojot anitirogēnu. Kopš 2005. gada par šo uzdevumu ir atbildīgs ATHENA pēctecis - ALPHA eksperiments.
Izmantojot atjauninātus instrumentus, ALPHA uztver neitrāla antiūdeņraža atomus un notur tos ilgāku laiku, pirms tie neizbēgami iznīcina. Šajā laikā pētījumu grupas veic spektrogrāfisko analīzi, izmantojot ALPHA ultravioleto lāzeru, lai noskaidrotu, vai atomi ievēro tos pašus likumus kā ūdeņraža atomi. Kā CERN atjauninājumā paskaidroja ALPHA sadarbības pārstāvis Džefrijs Hangsts:
“Lāzera izmantošana, lai novērotu antiūdeņraža pāreju un salīdzinātu to ar ūdeņradi, lai redzētu, vai tie ievēro tos pašus fizikas likumus, vienmēr ir bijis antimateriālu izpētes galvenais mērķis… Antiprotonu vai pozitronu pārvietošana un ieslodzīšana ir vienkārša, jo tie ir uzlādētas daļiņas. Bet, apvienojot abus, jūs iegūstat neitrālu antiūdeņradi, kuru ir daudz grūtāk ieslodzīt, tāpēc mēs esam izveidojuši ļoti īpašu magnētisko slazdu, kas balstās uz faktu, ka antiūdeņradis ir mazliet magnētisks. ”
To darot, izpētes komanda spēja izmērīt gaismas frekvenci, kas nepieciešama, lai pozitronu mainītu no zemākā enerģijas līmeņa uz nākamo. Viņi atrada, ka (eksperimenta robežās) nebija atšķirības starp antiūdeņraža un ūdeņraža spektra datiem. Šie rezultāti ir eksperimentāli pirmie, jo tie ir pirmie spektrālie novērojumi, kas jebkad veikti antihidrogēna atomam.
Šie rezultāti ļauj ne tikai pirmo reizi salīdzināt materiālus un antimatēriju, bet arī šie rezultāti parāda, ka antimateriāla izturēšanās pret tās spektrogrāfiskajām īpašībām atbilst standarta modelim. Konkrēti, tie atbilst tā dēvētajai maksas un paritātes laika (CPT) simetrijai.
Šī simetrijas teorija, kas ir būtiska izveidotajai fizikai, paredz, ka enerģijas līmeņi matērijā un antimatērijā būs vienādi. Kā komanda paskaidroja savā pētījumā:
“Mēs esam veikuši pirmos lāzera spektroskopiskos mērījumus antimatērijas atomam. Tas jau sen ir bijis pieprasīts sasniegums antimateriālu fizikā ar zemu enerģijas patēriņu. Tas iezīmē pagrieziena punktu no principiāla eksperimenta līdz nopietnai metroloģijai un precīziem CPT salīdzinājumiem, izmantojot antiatoma optisko spektru. Pašreizējais rezultāts… pierāda, ka AD pamatmetāla simetrijas testi ar antimatēriju ātri nobriest. ”
Citiem vārdiem sakot, apstiprinājums tam, ka matērijai un antimateriālam ir līdzīgas spektrālās īpašības, ir vēl viena norāde, ka standarta modelis ir noturīgs - tāpat kā Higsa Bosona atklājums 2012. gadā. Tas arī parādīja ALPHA eksperimenta efektivitāti antimateriāla daļiņu notveršanā, kam būs ieguvumi citos antiūdeņraža eksperimentos.
Protams, CERN pētnieki bija ļoti satraukti par šo atradumu, un sagaidāms, ka tam būs drastiskas sekas. Paredzams, ka papildus jauna standarta modeļa testēšanas līdzekļa piedāvājumam ir jānoiet arī tā, lai palīdzētu zinātniekiem saprast, kāpēc Visumā pastāv matērijas un antimateriāla nelīdzsvarotība. Vēl viens būtisks solis precīzi atklājot, kā izveidojās Visums, kā mēs to zinām.
