Antimadde varlığının 20. yüzyılın başlarında önerildiğinden beri, bilim adamları normal madde ile nasıl ilişkili olduğunu ve Evren'deki ikisi arasında neden belirgin bir dengesizliğin olduğunu anlamaya çalıştılar. Bunu yapmak için, son birkaç on yılda parçacık fiziği araştırması, Evrendeki en temel ve bol atomun anti-parçacığına, antihidrojen parçacığına odaklanmıştır.
Yakın zamana kadar, bilim adamları antihidrojen üretebildikleri, ancak imha edilmeden çok önce çalışamadıkları için bu çok zordu. Ancak son zamanlarda yapılan bir çalışmada Doğa, ALPHA deneyi kullanan bir ekip, antihidrojen hakkında ilk spektral bilgiyi elde edebildi. 20 yıl süren bu başarı, karşımadde için tamamen yeni bir araştırma dönemi başlatabilir.
Elementlerin ışığı nasıl emdiğini veya yaydığını (yani spektroskopiyi) ölçmek fizik, kimya ve astronominin önemli bir yönüdür. Bilim adamlarının sadece atomları ve molekülleri karakterize etmelerine izin vermekle kalmaz, aynı zamanda astrofizikçilerin uzak yıldızların bileşimini, yaydıkları ışığın spektrumunu analiz ederek belirlemelerine izin verir.
Geçmişte, evrendeki tüm baryonik kütlenin kabaca% 75'ini oluşturan hidrojen spektrumu üzerine birçok çalışma yapılmıştır. Bunlar, madde, enerji ve birden çok bilimsel disiplinin evriminde anlamamızda hayati bir rol oynamıştır. Ancak yakın zamana kadar, anti-partikül spektrumunu incelemek inanılmaz derecede zor oldu.
Yeni başlayanlar için, antihidrojen - antiprotonlar ve pozitronlar (anti-elektronlar) oluşturan parçacıkların bir araya gelmeleri için yakalanmasını ve soğutulmasını gerektirir. Ayrıca, bu parçacıkların, normal madde ile kaçınılmaz bir şekilde temas etmeden ve yok etmeden önce davranışlarını gözlemleyecek kadar uzun süre korunması gerekir.
Neyse ki, teknoloji son yirmi yılda antimadde ile ilgili araştırmanın mümkün olduğu noktaya kadar ilerledi, böylece bilim insanlarına antimaddenin arkasındaki fiziğin Standart Model ile tutarlı olup olmadığını veya ötesine geçip gitmediğini çıkarma fırsatı verdi. Liverpool Üniversitesi Fizik Bölümü'nden Dr. Ahmadi liderliğindeki CERN araştırma ekibinin çalışmalarında belirttiği gibi:
“Standart Model, Büyük Patlama'dan sonra ilkel Evren'de eşit miktarda madde ve antimadde olması gerektiğini tahmin ediyor, ancak bugünün Evreninin neredeyse tamamen sıradan maddeden oluştuğu gözleniyor. Bu fizikçileri, antimadde üzerinde dikkatle çalışma, iki tür maddeyi yöneten fizik yasalarında küçük bir asimetri olup olmadığını görmeye motive ediyor. ”
1996'dan başlayarak, bu araştırma CERN Antiproton Yavaşlatıcı tesisinin bir parçası olan AnTiHydrogEN Aparatı (ATHENA) deneyi kullanılarak yapıldı. Bu deney, antiprotonları ve pozitronları yakalamaktan, sonra bunları anithidrojen oluşturmak için birleşebilecekleri noktaya kadar soğutmaktan sorumluydu. 2005'ten bu yana bu görev ATHENA’nın halefi ALPHA deneyinin sorumluluğu haline geldi.
Güncellenmiş enstrümanlar kullanarak, ALPHA nötr antihidrojen atomlarını yakalar ve kaçınılmaz olarak yok etmeden önce daha uzun bir süre tutar. ALPHA işbirliğinin sözcüsü Jeffrey Hangst'in bir CERN güncellemesinde açıkladığı gibi:
“Antihidrojende bir geçişi gözlemlemek için bir lazer kullanmak ve aynı fizik yasalarına uyup uymadıklarını görmek için hidrojeyle karşılaştırmak, antimadde araştırmasının her zaman kilit bir amacı olmuştur… Antiprotonları veya pozitronları taşımak ve yakalamak parçacıklar olduğu için kolaydır. Ancak ikisini birleştirdiğinizde, tuzağı almak çok daha zor olan nötr antihidrojen elde edersiniz, bu yüzden antihidrojenin biraz manyetik olduğu gerçeğine dayanan çok özel bir manyetik tuzak tasarladık. ”
Böylece araştırma ekibi, bir pozitronun en düşük enerji seviyesinden bir sonrakine geçmesine neden olmak için gereken ışık frekansını ölçmeyi başardı. Buldukları şey (deneysel sınırlar dahilinde) antihidrojen spektral veriler ile hidrojenin verileri arasında bir fark olmadığıydı. Bu sonuçlar, bir antihidrojen atomundan yapılmış ilk spektral gözlemler oldukları için ilk önce deneysel bir sonuçtur.
Bu sonuçlar, madde ve antimadde arasında ilk kez karşılaştırmaya izin vermenin yanı sıra, antimadde davranışının - spektrografik özelliklerine göre - Standart Model ile tutarlı olduğunu göstermektedir. Özellikle, Yük-Parite-Zaman (CPT) simetrisi olarak bilinenlerle tutarlıdırlar.
Yerleşik fiziğin temelini oluşturan bu simetri teorisi, madde ve antimadde içindeki enerji seviyelerinin aynı olacağını öngörmektedir. Ekibin çalışmalarında açıkladığı gibi:
“İlk lazer spektroskopik ölçümü bir antimadde atomu üzerinde gerçekleştirdik. Bu uzun süredir düşük enerjili antimadde fiziğinde aranan bir başarı olmuştur. Prensip kanıtı deneylerinden, bir anti-atomun optik spektrumunu kullanarak ciddi metroloji ve hassas CPT karşılaştırmalarına bir dönüm noktasıdır. Mevcut sonuç… AD'de antimadde ile temel simetrilerin testlerinin hızla olgunlaştığını göstermektedir. ”
Diğer bir deyişle, madde ve antimadde ile benzer spektral özelliklere sahip olduğunun teyidi, Standart Model'in 2012'de tuttuğu gibi başka bir göstergedir. Ayrıca ALPHA deneyinin, diğer antihidrojen deneylerine fayda sağlayacak antimadde partiküllerinin yakalanmasındaki etkinliğini de gösterdi.
Doğal olarak, CERN araştırmacıları bu bulgudan çok heyecanlandılar ve ciddi sonuçları olması bekleniyor. Standart Modeli test etmenin yeni bir yolunu sunmanın ötesinde, bilim insanlarının Evren'de neden madde karşıtı bir dengesizlik olduğunu anlamalarına yardımcı olmak için de uzun bir yol kat etmesi bekleniyor. Yine de bildiğimiz şekliyle Evrenin nasıl olduğunu keşfetmek için bir başka önemli adım.
