Ein sprudelndes, raues Vakuum füllt den Quantenraum und verzerrt die Form jedes Wasserstoffatoms im Universum. Und jetzt wissen wir, dass es auch den bizarren Antimaterie-Zwilling von Wasserstoff verzerrt: Antiwasserstoff.
Antimaterie ist eine wenig verstandene Substanz, die in unserem Universum selten ist und die Materie fast perfekt nachahmt, aber mit all den Eigenschaften, die sich umdrehen. Zum Beispiel sind Elektronen winzige Materieteilchen, die eine negative Ladung tragen. Ihre Antimaterie-Zwillinge sind winzige "Positronen", die eine positive Ladung tragen. Kombinieren Sie ein Elektron und ein Proton (ein größeres, positiv geladenes Materieteilchen) und Sie erhalten ein einfaches Wasserstoffatom. Kombinieren Sie ein Antimaterie-Positron mit einem "Antiproton" und Sie erhalten Antiwasserstoff. Wenn sich normale Materie und Antimaterie berühren, vernichten sich Materie und Antimaterieteilchen gegenseitig.
Gegenwärtig scheint Antimaterie der perfekte, antagonistische Zwilling der Materie zu sein, und eines der großen Geheimnisse der Physik ist, warum Materie den Raum dominierte, als Antimaterie ein bisschen zum Spieler im Universum wurde. Das Finden eines Unterschieds zwischen den beiden könnte helfen, die Struktur des modernen Universums zu erklären.
Die Lammverschiebung war ein guter Ort, um nach solchen Unterschieden zu suchen, sagte Makoto Fujiwara, ein kanadischer Teilchenphysiker, der dem CERN angeschlossen ist und Mitautor der neuen Studie ist, die am 19. Februar in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde. Quantenphysiker kennen diesen seltsamen Quanteneffekt, der seit 1947 nach dem Physiker Willis Lamb von der Universität von Arizona benannt wurde. Auf der ersten großen Nachkriegskonferenz amerikanischer Physiker enthüllte Lamb, dass etwas Unsichtbares in Wasserstoffatomen auf ihre inneren Teilchen drückt und eine größere Lücke schafft zwischen dem Proton und dem umlaufenden Elektron als es die existierende Kerntheorie erlaubt.
"Grob gesagt ist die Lammverschiebung eine physische Manifestation der Wirkung des 'Vakuums'", sagte Fujiwara gegenüber Live Science. "Wenn Sie normalerweise an das Vakuum denken, denken Sie an 'nichts'. Nach der Theorie der Quantenphysik ist das Vakuum jedoch mit den sogenannten "virtuellen Teilchen" gefüllt, die ständig geboren und zerstört werden. "
Dieses unheimliche Sprudeln kurzer, halb realer Teilchen hat echte Auswirkungen auf das umgebende Universum. Und innerhalb von Wasserstoffatomen erzeugt es einen Druck, der die beiden verbundenen Teilchen trennt. Die unerwartete Entdeckung brachte Lamb 1955 den Nobelpreis für Physik ein.
Obwohl Physiker seit Jahrzehnten wissen, dass die Lammverschiebung Wasserstoff verändert, hatten sie keine Ahnung, ob sie auch Antiwasserstoff beeinflusst.
Fujiwara und seine Mitautoren wollten es herausfinden.
"Das übergeordnete Ziel unserer Studien ist es, festzustellen, ob es einen Unterschied zwischen Wasserstoff und Antiwasserstoff gibt, und wir wissen nicht im Voraus, wo sich ein solcher Unterschied zeigen könnte", sagte Fujiwara gegenüber Live Science.
Um diese Frage zu untersuchen, sammelten die Forscher sorgfältig Antiwasserstoffproben mit dem Antimaterieexperiment Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA) bei der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN), dem riesigen Kernphysiklabor des Kontinents. Laut Fujiwara benötigt ALPHA einige Stunden, um eine Antiwasserstoffprobe zu erzeugen, die groß genug ist, um damit zu arbeiten.
Es suspendiert die Substanz in Magnetfeldern, die Materie abstoßen. ALPHA-Forscher treffen dann das eingeschlossene Antiwasserstoff mit Laserlicht, um zu untersuchen, wie die Antimaterie mit den Photonen interagiert, was verborgene Eigenschaften der kleinen Anti-Atome aufdecken kann.
Die ALPHA-Forscher wiederholten ihr Experiment ein Dutzend Mal an verschiedenen Antiwasserstoffproben unter verschiedenen Bedingungen und fanden keinen Unterschied zwischen der Lamb-Verschiebung in Wasserstoff und der Lamb-Verschiebung in Antiwasserstoff, den ihre Instrumente nachweisen konnten.
"Derzeit ist kein Unterschied zwischen den grundlegenden Eigenschaften von Antiwasserstoff und normalem Wasserstoff bekannt", sagte Fujiwara. "Wenn wir einen Unterschied finden, selbst den kleinsten, würde dies eine radikale Veränderung in der Art und Weise erzwingen, wie wir unser physisches Universum verstehen."
Obwohl die Forscher noch keine Unterschiede festgestellt haben, ist die Antiwasserstoffphysik noch ein junges Gebiet. Die Physiker hatten bis 2002 nicht einmal leicht zu untersuchende Proben des Materials, und ALPHA begann erst 2011 routinemäßig mit dem Einfangen von Wasserstoffproben.
Diese Entdeckung ist ein "erster Schritt", sagte Fujiwara, aber es gibt noch viel zu studieren, bevor die Physiker wirklich verstehen werden, wie Wasserstoff und Antiwasserstoff miteinander verglichen werden.
