V článku, ktorý bol publikovaný v časopise Nature, kolaborácia ALPHA podáva správu o prvom meraní optického spektra atómu antihmoty v histórii. Tento úspech je výsledkom dvadsaťročného výskumu antihmoty v CERNe a je ukážkou technologického pokroku, ktorý otvoril úplne novú éru v presnom meraní antihmoty.
“Využitie lasera na pozorovanie prechodu v antivodíku a jeho porovnanie s vodíkom, aby sme videli, či v oboch platia rovnaké fyzikálne zákony, bolo vždy kľúčovým cieľom vo výskume antihmoty,” povedal Jeffrey Hangst, hovorca kolaborácie ALPHA.
Atómy sú tvorené elektrónmi, ktoré obiehajú okolo jadra. Elektróny pri prechode z jednej orbity na druhú absorbujú alebo emitujú svetlo pri špecifických vlnových dĺžkach, ktoré tvoria spektrum atómu. Každý prvok má jedinečné spektrum. Spektroskopia sa vďaka tomu bežne využíva v mnohých oblastiach fyziky, astronómie a chémie. Pomáha charakterizovať atómy a molekuly a ich vnútorné stavy. Napr. v astrofyzike analýza spektier vzdialených hviezd pomáha vedcom určiť ich zloženie.
Vodík, ktorý má jeden protón a jeden elektrón, je najčastejším, najjednoduchším a najlepšie pochopeným atómom vo vesmíre. Jeho spektrum je zmerané s vysokou presnosťou. Na druhej strane o antivodíkových atómoch vieme veľmi málo. Pretože vesmír vyzerá byť zložený čisto len z hmoty, najskôr musíme umelo vyprodukovať antiprotóny a pozitróny a ich spojením vytvoriť antivodíkové atómy. Len potom môžeme merať antivodíkové spektrum. Je to veľmi namáhavý proces, ale hodný úsilia, pretože akýkoľvek merateľný rozdiel medzi spektrami vodíka a antivodíka by porušil základné princípy fyziky a mohol by pomôcť pochopiť záhadu nerovnováhy medzi hmotou a antihmotou vo vesmíre.
Dnešný výsledok experimentu ALPHA je prvé pozorovanie spektrálnej čiary v atóme antivodíka, čo umožnilo prvýkrát porovnať spektrá hmoty a antihmoty. V rámci experimentálnej chyby nie je rozdiel pri porovnaní so zodpovedajúcou čiarou vo vodíku. Toto je konzistentné so Štandardným modelom časticovej fyziky, teóriou, ktorá najlepšie opisuje častice a sily medzi nimi. Podľa tejto teórie by vodík a antivodík mali mať úplne rovnaké spektrá.
Kolaborácia ALPHA očakáva zlepšenie presnosti svojich meraní v budúcnosti. Meranie antivodíkového spektra s vysokou presnosťou je výnimočný nový nástroj na test, či sa hmota správa inak ako antihmota a tak umožní ďalej preskúmať platnosť Štandardného modelu.
ALPHA je unikátny experiment na Antiprotónovom spomaľovači v CERNe. Dokáže produkovať antivodíkové atómy a udržať ich v špeciálne navrhnutej magnetickej pasci. Uväznenie antivodíkových atómov umožňuje ich štúdium pomocou laserov alebo iných zdrojov žiarenia.
“Je ľahké pohybovať antiprotónmi alebo pozitrónmi a uväzniť ich, pretože sú to nabité častice,” povedal Hangst. “Ale keď ich spojíte, dostanete neutrálny antivodík, ktorý je oveľa ťažšie uväzniť. Museli sme navrhnúť špeciálnu magnetickú pascu, ktorá využíva fakt, že antivodík je mierne magnetický.”
Antivodík sa vyrába zmiešaním plazmy asi 90 000 antiprotónov z Antiprotónového
spomaľovača s plazmou pozitrónov, čo vedie na produkciu asi 25 000 antivodíkových atómov na jeden pokus. Antivodíkové atómy môžu byť následne uväznené, ak sa pohybujú dostatočne pomaly v momente produkcie. Použitím novej techniky, pri ktorej spoja antiatómy z dvoch po sebe idúcich zmiešavacích cyklov, je možné uväzniť v pasci v priemere 14 antiatómov na jeden pokus oproti len 1,2 antiatómom s predchádzajúcimi metódami. Po uväznení atómov ich vedci osvetlia laserovým zväzkom s presne naladenou frekvenciou a pozorujú prechody v antivodíku. Meranie bolo robené pozorovaním tzv. 1S-2S prechodu. 2S stav v atómovom vodíku má dlhú dobu života, čo vedie k úzkej spektrálnej čiare, ktorá sa osobitne hodí na presné merania.
Súčasný výsledok spolu s nedávnymi limitmi na pomer hmotnosti antiprotónu a elektrónu od kolaborácie ASACUSA a na pomer antiprotónového náboja a jeho hmotnosti od BASE kolaborácie demonštruje, že testy fundamentálnych symetrií pomocou antihmoty v CERNe rapídne napredujú.
Ivan Melo
European Particle Physics Communication Network
Foto CERN
