Otkako je početkom 20. stoljeća predloženo postojanje antimaterije, znanstvenici su pokušali shvatiti kako je to povezano s normalnom materijom i zašto postoji očita neravnoteža između njih dvoje u Svemiru. Da bismo to učinili, istraživanja fizike čestica u posljednjih nekoliko desetljeća bila su usmjerena na antičestice najosnovnijeg i najobilnijeg atoma u Svemiru - čestice antihidrogena.
Donedavno je to bilo vrlo teško, jer su znanstvenici mogli proizvesti antihidrogen, ali nisu ga mogli proučiti dugo prije nego što se uništilo. No prema nedavnoj studiji koja je objavljena u Priroda, tim koji je koristio eksperiment ALPHA uspio je dobiti prve spektralne informacije o antihidrogenu. Ovo postignuće, koje je trajalo 20 godina, moglo bi otvoriti potpuno novo doba istraživanja antimaterije.
Mjerenje načina na koji elementi apsorbiraju ili emitiraju svjetlost - tj. Spektroskopija - glavni je aspekt fizike, kemije i astronomije. Ne samo da znanstvenicima omogućuje karakterizaciju atoma i molekula, već astrofizičarima omogućuje određivanje sastava udaljenih zvijezda analizom spektra svjetlosti koju emitiraju.
U prošlosti su provedena mnoga istraživanja spektra vodika koji čini otprilike 75% sve barionske mase u Svemiru. Oni su igrali vitalnu ulogu u našem razumijevanju materije, energije i evoluciji više znanstvenih disciplina. No, do nedavno je bilo nevjerojatno teško proučavati spektar njegovih antičestica.
Za početak, zahtijevaju da se čestice koje čine antihidrogen - antiprotoni i pozitroni (anti-elektroni) - uhvate i ohlade kako bi se spojile. Pored toga, potrebno je održavati ove čestice dovoljno dugo da se promatra njihovo ponašanje, prije nego što one neizbježno uspostave kontakt s normalnom materijom i unište se.
Srećom, tehnologija je napredovala u posljednjih nekoliko desetljeća do trenutka kada su istraživanja antimaterije sada moguća, pružajući tako znanstvenicima priliku da zaključe je li fizika koja stoji iza antimaterije u skladu sa Standardnim modelom ili ide dalje od nje. Kao što je u svojoj studiji istaknuo istraživački tim CERN-a - koji je vodio dr. Ahmadi s Odjela za fiziku na Sveučilištu u Liverpoolu:
"Standardni model predviđa da je u Velikom prasku trebalo biti jednakih količina materije i antimaterije nakon Velikog praska, ali se danas smatra da se Univerzum sastoji u potpunosti od obične materije. To motivira fizičare da pažljivo proučavaju antimateriju, kako bi utvrdili postoji li mala asimetrija u zakonima fizike koji reguliraju dvije vrste materije. "
Počevši od 1996. ovo istraživanje provedeno je korištenjem eksperimenta AnTiHydrogEN Aparat (ATHENA), dijela postrojenja za antiprotonske usporavače CERN-a. Ovaj je eksperiment bio odgovoran za hvatanje antiprotona i pozitrona, a zatim ih hlađenje do točke gdje se mogu kombinirati u tvorbu anitidrogena. Od 2005. godine taj zadatak postaje odgovornost nasljednika ATHENE, eksperimenta ALPHA.
Upotrebom ažuriranih instrumenata, ALPHA hvata atome neutralnog antihidrogena i zadržava ih duže vrijeme prije nego što se oni neizbježno unište. Tijekom tog vremena, istraživački timovi provode spektrografsku analizu pomoću ALPHA-inog ultraljubičastog lasera kako bi vidjeli jesu li atomi u skladu sa istim zakonima kao i atomi vodika. Kao što je Jeffrey Hangst, glasnogovornik suradnje ALPHA-e, u CERN-ovom ažuriranju objasnio:
„Upotreba lasera za promatranje prijelaza u vodik i uspoređivanje s vodikom kako bi se vidjelo poštuju li iste zakone fizike uvijek je bio ključni cilj istraživanja antimaterije… Pomicanje i hvatanje antiprotona ili pozitrona lako je jer su nabijene čestice. Ali kada kombinirate dva, dobivate neutralan antihidrogen, što je daleko teže zarobiti, tako da smo dizajnirali vrlo posebnu magnetsku zamku koja se oslanja na činjenicu da je antihidrogen malo magnetski. "
Čineći to, istraživački tim je uspio izmjeriti frekvenciju svjetlosti koja je potrebna da prouzroči pozitron za prelazak s najniže razine energije na sljedeću. Otkrili su da (u eksperimentalnim granicama) nema razlike između spektralnih podataka antihidrogena i podataka vodika. Ovi su rezultati prvo eksperimentalni, jer su prva spektralna opažanja ikad napravljena od atoma vodika.
Osim što po prvi put omogućuju usporedbu između materije i antimaterije, ovi rezultati pokazuju da je ponašanje antimaterije u odnosu na njene spektrografske karakteristike u skladu sa Standardnim modelom. Naime, oni su u skladu s onom što je poznato kao simetrija naplate-paritet-vrijeme (CPT).
Ova teorija simetrije, koja je temeljna za uspostavljenu fiziku, predviđa da bi razine energije u materiji i antimateriji bile iste. Kako je tim objasnio u svojoj studiji:
„Obavili smo prvo lasersko-spektroskopsko mjerenje na atomu antimaterije. Ovo je dugo traženo dostignuće u fizikalnoj antimateriji niske energije. Označava prekretnicu od eksperimentalnih eksperimenata do ozbiljne mjeriteljske i precizne usporedbe CPT koristeći optički spektar anti-atoma. Trenutni rezultat ... pokazuje da testovi osnovnih simetrija s antimaterijom na AD brzo sazrijevaju. "
Drugim riječima, potvrda da materija i antimaterija imaju slične spektralne karakteristike još je jedan pokazatelj da se Standardni model drži - baš kao i otkriće Higgsova Bosona 2012. godine. Također je pokazao učinkovitost eksperimenta ALPHA u hvatanju čestica antimaterije, što će imati koristi od drugih pokusa s antihidrogenom.
Prirodno, istraživači CERN-a bili su vrlo uzbuđeni ovim nalazom, a očekuje se da će imati drastične posljedice. Osim što će ponuditi nova sredstva za testiranje Standardnog modela, očekuje se da će ići dug put kako bi pomogli znanstvenicima da shvate zašto u svemiru postoji neravnoteža materije i antimaterije. Još jedan presudni korak u otkrivanju tačno kakvog je svemira takav kakav znamo.
