In een artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd: Natuur , de ALPHA-samenwerking rapporteert de allereerste meting aan het optische spectrum van een antimaterie-atoom. Deze prestatie kenmerkt zich door technologische ontwikkelingen die een volledig nieuw tijdperk inluiden in uiterst nauwkeurig antimaterieonderzoek. Het is het resultaat van meer dan 20 jaar werk van de CERN-antimateriegemeenschap.

"Het gebruik van een laser om een ​​overgang in antiwaterstof waar te nemen en het te vergelijken met waterstof om te zien of ze aan dezelfde natuurkundige wetten voldoen, is altijd een belangrijk doel geweest van antimaterieonderzoek, " zei Jeffrey Hangst, Woordvoerder van de ALPHA-samenwerking.

Atomen bestaan ​​uit elektronen die rond een kern draaien. Wanneer de elektronen van de ene baan naar de andere gaan, absorberen of zenden ze licht uit op specifieke golflengten, het spectrum van het atoom vormen. Elk element heeft een uniek spectrum. Als resultaat, spectroscopie is een veelgebruikt hulpmiddel op veel gebieden van de natuurkunde, sterrenkunde en scheikunde. Het helpt om atomen en moleculen en hun interne toestanden te karakteriseren. Bijvoorbeeld, in de astrofysica, Door het lichtspectrum van verre sterren te analyseren, kunnen wetenschappers hun samenstelling bepalen.

Met zijn enkel proton en enkel elektron, waterstof is de meest voorkomende, eenvoudig en goed begrepen atoom in het heelal. Het spectrum is met zeer hoge precisie gemeten. Antiwaterstofatomen, aan de andere kant worden slecht begrepen. Omdat het universum volledig uit materie lijkt te bestaan, de bestanddelen van antiwaterstofatomen - antiprotonen en positronen - moeten worden geproduceerd en samengevoegd tot atomen voordat het antiwaterstofspectrum kan worden gemeten. Het is een moeizaam proces, maar zeker de moeite waard, aangezien elk meetbaar verschil tussen de spectra van waterstof en antiwaterstof de basisprincipes van de natuurkunde zou breken en mogelijk zou helpen de puzzel van de onbalans tussen materie en antimaterie in het universum te begrijpen.

Het ALPHA-resultaat van vandaag is de eerste waarneming van een spectraallijn in een antiwaterstofatoom, waardoor het lichtspectrum van materie en antimaterie voor het eerst kan worden vergeleken. Binnen experimentele grenzen, het resultaat toont geen verschil met de equivalente spectraallijn in waterstof. Dit komt overeen met het standaardmodel van de deeltjesfysica, de theorie die deeltjes en de krachten die daartussen werken het beste beschrijft, die voorspelt dat waterstof en antiwaterstof identieke spectroscopische eigenschappen zouden moeten hebben.

De ALPHA-samenwerking verwacht in de toekomst de precisie van haar metingen te verbeteren. Het met hoge precisie meten van het antiwaterstofspectrum biedt een buitengewoon nieuw hulpmiddel om te testen of materie zich anders gedraagt ​​dan antimaterie en zo de robuustheid van het Standaardmodel verder te testen.

ALPHA is een uniek experiment in de Antiproton Decelerator-faciliteit van CERN, in staat om anti-waterstofatomen te produceren en ze in een speciaal ontworpen magnetische val te houden, het manipuleren van anti-atomen een paar tegelijk. Door antiwaterstofatomen te vangen, kunnen ze worden bestudeerd met behulp van lasers of andere stralingsbronnen.

"Het verplaatsen en vangen van antiprotonen of positronen is gemakkelijk omdat het geladen deeltjes zijn, " zei Hangst. "Maar als je die twee combineert, krijg je neutrale antiwaterstof, die veel moeilijker te vangen is, dus hebben we een heel speciale magnetische val ontworpen die erop vertrouwt dat antiwaterstof een beetje magnetisch is."

Antiwaterstof wordt gemaakt door plasma's van ongeveer 90, 000 antiprotonen van de Antiproton Decelerator met positronen, resulterend in de productie van ongeveer 25, 000 anti-waterstofatomen per poging. Antiwaterstofatomen kunnen worden opgesloten als ze langzaam genoeg bewegen wanneer ze worden gemaakt. Met behulp van een nieuwe techniek waarbij de samenwerking anti-atomen stapelt die het resultaat zijn van twee opeenvolgende mengcycli, het is mogelijk om per proef gemiddeld 14 anti-atomen te vangen, vergeleken met slechts 1.2 met eerdere methoden. Door de ingesloten atomen te verlichten met een laserstraal op een nauwkeurig afgestemde frequentie, wetenschappers kunnen de interactie van de straal met de interne toestanden van antiwaterstof observeren. De meting is gedaan door de zogenaamde 1S-2S-overgang te observeren. De 2S-toestand in atomaire waterstof is van lange duur, wat leidt tot een smalle natuurlijke lijndikte, dus het is bijzonder geschikt voor precisiemetingen.

Het huidige resultaat, samen met recente limieten voor de verhouding van de antiproton-elektronenmassa die zijn vastgesteld door de ASACUSA-samenwerking, en antiproton lading-tot-massa-verhouding bepaald door de BASE-samenwerking, tonen aan dat tests van fundamentele symmetrieën met antimaterie bij CERN snel volwassen worden.