Το πείραμα ALPHA στο CERN παρατήρησε για πρώτη φορά το φάσμα ενός αντι-υδρογόνου

Οι επιστήμονες που εργάζονται στο πείραμα ALPHA ανέφεραν την πρώτη μέτρηση στο οπτικό φάσμα ενός ατόμου αντιύλης. Το επίτευγμα αυτό ανοίγει μια εντελώς νέα εποχή στην υψηλής ακρίβειας έρευνα της αντιύλης. Είναι το αποτέλεσμα μιας εργασίας που κράτησε πάνω από 20 χρόνια στην επιστημονική κοινότητα της αντιύλης στο CERN.

Οι επιστήμονες μπόρεσαν να διεγείρουν τα άτομα του αντι-υδρογόνου με λέιζερ κατάλληλης συχνότητας, ώστε να μελετήσουν την ακτινοβολία που εκπέμπουν σε αυτή την περίπτωση

Χρησιμοποιώντας ένα λέιζερ μπόρεσαν οι φυσικοί να παρατηρήσουν την διέγερση στο άτομο του αντιυδρογόνου και να την συγκρίνουν με αυτή του υδρογόνου, για να δουν αν τα δύο μπορούν να υπακούουν στους ίδιους νόμους της φυσικής. Δηλαδή να εξετάσουν τον τρόπο που η αντιύλη αλληλεπιδρά με φως, ανοίγοντας έτσι τον δρόμο για την καλύτερη κατανόηση της συμπεριφοράς της, το γεγονός αυτό ήταν πάντα ένα βασικός στόχος της έρευνας της αντιύλης. Αυτό δήλωσε ο Jeffrey Hangst, εκπρόσωπος της συνεργασίας ALPHA, που είναι ένα μοναδικό πείραμα στην δημιουργία και φύλαξη αντιπρωτονίων μέσα σε μία ειδικά σχεδιασμένη μαγνητική παγίδα, χειραγωγώντας έτσι αντιάτομα σε έναν σύντομο χρόνο. Η παγίδευση ατόμων αντιυδρογόνου, επιτρέπει να τα μελετήσουν οι φυσικοί χρησιμοποιώντας λέιζερ ή άλλες πηγές ακτινοβολίας.

Τα «συστατικά» της αντιύλης είναι στοιχειώδη σωματίδια (ή σωστότερα αντισωματίδια) που έχουν την ίδια μάζα αλλά αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο από τους δομικούς λίθους της ύλης. Για παράδειγμα, τα ποζιτρόνια (αντι-ηλεκτρόνια) έχουν θετικό ηλεκτρικό φορτίο, ενώ τα αντιπρωτόνια αρνητικό.

Τα άτομα αντιυδρογόνου φτιάχνονται με την ανάμειξη πλάσματος, περίπου, 90 000 αντιπρωτονίων της παγίδας αντιπρωτονίων με ποζιτρόνια, με αποτέλεσμα την παραγωγή περίπου 25 000 άτομα αντιυδρογόνου ανά προσπάθεια. Τα άτομα αντιυδρογόνου μπορούν να παγιδευτούν εάν κινούνται όταν δημιουργούνται αρκετά αργά. Χρησιμοποιώντας δε μια νέα τεχνική είναι δυνατόν να παγιδευτούν κατά μέσο όρο 14 αντι-άτομα ανά πείραμα, σε σύγκριση με μόλις 1,2 με τις προηγούμενες μεθόδους. Φωτίζοντας τα παγιδευμένα άτομα με ακτίνα λέιζερ με μία συντονισμένη συχνότητα, οι επιστήμονες μπορούν να παρατηρούν την αλληλεπίδραση της δέσμης με τις εσωτερικές καταστάσεις του αντιυδρογόνου. Η μέτρηση έγινε με την παρατήρηση της λεγόμενης μετάβαση 1S-2S. Η κατάσταση 2S σε ατομικό υδρογόνο είναι μακρόβια, που οδηγεί σε ένα στενό πλάτος φυσική γραμμή, γι ‘αυτό είναι ιδιαίτερα κατάλληλο για μετρήσεις ακριβείας. 

Σύμφωνα με τους νόμους της φυσικής, με τη Μεγάλη Έκρηξη θα πρέπει να δημιουργήθηκαν ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης. Τότε, όμως, κάθε σωματίδιο που θα συγκρουόταν με το αντίστοιχο αντισωματίδιό του, όπως ένα πρωτόνιο με ένα αντιπρωτόνιο ή ένα ηλεκτρόνιο με ένα ποζιτρόνιο, θα έπρεπε να εξαϋλωθεί.

Επομένως, το μόνο που θα έπρεπε να έχει απομείνει θα ήταν μία «θάλασσα» φωτονίων, σε ένα άυλο σύμπαν. Κάτι που γνωρίζουμε με βεβαιότητα πως δεν συνέβη, αφού τότε δεν θα υπήρχε ο υλικός κόσμος που μας περιβάλλει, αλλά ούτε και εμείς. Επομένως, θα πρέπει για κάποια άγνωστη αιτία να εμφανίστηκε μία μικρή ασυμμετρία ανάμεσα στην ύλη και την αντιύλη στο «νεαρό» σύμπαν, χάρις στην οποία αυτό μπόρεσε να εξελιχθεί στη σημερινή του μορφή.

Όπως είναι φυσικό, η εξαΰλωση αποτελεί εμπόδιο στην πειραματική μελέτη της αντιύλης, καθώς οποιαδήποτε επαφή της με την ύλη έχει ως αποτέλεσμα να εξαφανισθεί. Αυτό εξηγεί γιατί τα σχετικά πειράματα προχωρούν σχετικά αργά, αφού για παράδειγμα σχετικά πρόσφατα βρέθηκε τρόπος ώστε να παραμένουν άτομα αντιύλης (αντι-υδρογόνο) ανέπαφα για επαρκές χρονικό διάστημα, «παγιδεύοντάς» τα μέσα σε μαγνητικά πεδία.

Τώρα, οι επιστήμονες του πειράματος ALPHA χρησιμοποίησαν αυτή την τεχνική παγίδευσης, για να προχωρήσουν ένα βήμα παραπέρα. Κι αυτό γιατί, όπως αναφέρουν σε άρθρο τους που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature, κατάφεραν να εξετάσουν για πρώτη φορά τη συμπεριφορά του αντι-υδρογόνου καθώς αλληλεπιδρά με φως.

Πιο συγκεκριμένα, οι επιστήμονες μπόρεσαν να διεγείρουν τα άτομα του αντι-υδρογόνου με λέιζερ κατάλληλης συχνότητας, ώστε να μελετήσουν την ακτινοβολία που εκπέμπουν σε αυτή την περίπτωση. Όπως συμβαίνει και με τη συμβατική ύλη, το αντι-υδρογόνο διεγέρθηκε από τις δέσμες λέιζερ και στη συνέχεια εξέπεμψε ακτινοβολία, για να επιστρέψει στην αρχική του κατάσταση.

Σύμφωνα με τους νόμους της φυσικής, δεν πρέπει να υπάρχει διαφορά ανάμεσα στην ακτινοβολία του αντι-υδρογόνου και εκείνη του συμβατικού υδρογόνου. Αν όμως τα πειράματα δείξουν πως αυτό δεν ισχύει, ίσως θα έχει ανοίξει ο δρόμος για να βρεθεί η αιτία που η ύλη υπερνίκησε την αντιύλη στο «πρώιμο» σύμπαν.

Προς το παρόν, οι μετρήσεις από το ALPHA δείχνουν να επιβεβαιώνουν ότι υδρογόνο και αντι-υδρογόνο έχουν τις ίδιες οπτικές ιδιότητες. Ωστόσο, οι επιστήμονες σημειώνουν πως η ανάλυση της ακτινοβολίας του αντι-υδρογόνου δεν είναι ακόμη πολύ ακριβής – αφού υπολείπεται περίπου 100.000 φορές από την πιο λεπτομερή ανάλυση της ακτινοβολίας διέγερσης του υδρογόνου.

Έτσι, όπως σημειώνουν, τελεσίδικα συμπεράσματα θα μπορούν να βγουν αφότου επαναλάβουν αρκετές φορές ακόμη τις μετρήσεις, χρησιμοποιώντας μάλιστα διαφορετικές ενέργειας για τις δέσμες λέιζερ.