Seit die Existenz von Antimaterie im frühen 20. Jahrhundert vorgeschlagen wurde, haben Wissenschaftler versucht zu verstehen, wie sie sich auf normale Materie bezieht und warum es im Universum ein offensichtliches Ungleichgewicht zwischen beiden gibt. Zu diesem Zweck hat sich die Teilchenphysikforschung in den letzten Jahrzehnten auf das Antiteilchen des elementarsten und am häufigsten vorkommenden Atoms im Universum konzentriert - das Antiwasserstoffteilchen.
Bis vor kurzem war dies sehr schwierig, da Wissenschaftler in der Lage waren, Antiwasserstoff zu produzieren, ihn aber nicht lange zu untersuchen, bevor er vernichtet wurde. Aber laut einer kürzlich veröffentlichten Studie wurde in Natur, Ein Team, das das ALPHA-Experiment verwendete, konnte die ersten spektralen Informationen über Antiwasserstoff erhalten. Diese 20-jährige Errungenschaft könnte eine völlig neue Ära der Antimaterieforschung einleiten.
Die Messung, wie Elemente Licht absorbieren oder emittieren - d. H. Spektroskopie - ist ein Hauptaspekt der Physik, Chemie und Astronomie. Es ermöglicht Wissenschaftlern nicht nur die Charakterisierung von Atomen und Molekülen, sondern auch die Bestimmung der Zusammensetzung entfernter Sterne durch Astrophysiker durch Analyse des Spektrums des von ihnen emittierten Lichts.
In der Vergangenheit wurden viele Studien zum Wasserstoffspektrum durchgeführt, das ungefähr 75% der gesamten baryonischen Masse im Universum ausmacht. Diese haben eine wichtige Rolle für unser Verständnis von Materie, Energie und der Entwicklung mehrerer wissenschaftlicher Disziplinen gespielt. Bis vor kurzem war es jedoch unglaublich schwierig, das Spektrum seiner Antiteilchen zu untersuchen.
Für den Anfang ist es erforderlich, dass die Partikel, die Antiwasserstoff bilden - Antiprotonen und Positronen (Antielektronen) - eingefangen und gekühlt werden, damit sie zusammenkommen können. Außerdem ist es dann notwendig, diese Partikel lange genug zu halten, um ihr Verhalten zu beobachten, bevor sie unvermeidlich mit normaler Materie in Kontakt kommen und sich vernichten.
Glücklicherweise hat sich die Technologie in den letzten Jahrzehnten so weit entwickelt, dass die Erforschung von Antimaterie jetzt möglich ist, sodass Wissenschaftler ableiten können, ob die Physik hinter Antimaterie mit dem Standardmodell übereinstimmt oder darüber hinausgeht. Wie das CERN-Forschungsteam, das von Dr. Ahmadi vom Department of Physics der University of Liverpool geleitet wurde, in seiner Studie angab:
„Das Standardmodell sagt voraus, dass es nach dem Urknall im Uruniversum gleiche Mengen an Materie und Antimaterie geben sollte, aber das heutige Universum besteht fast ausschließlich aus gewöhnlicher Materie. Dies motiviert die Physiker, die Antimaterie sorgfältig zu untersuchen, um festzustellen, ob die Gesetze der Physik, die die beiden Arten von Materie regeln, eine kleine Asymmetrie aufweisen. “
Ab 1996 wurde diese Forschung mit dem Experiment AnTiHydrogEN Apparatus (ATHENA) durchgeführt, das Teil der CERN Antiproton Decelerator-Anlage ist. Dieses Experiment war dafür verantwortlich, Antiprotonen und Positronen einzufangen und sie dann bis zu dem Punkt abzukühlen, an dem sie sich zu Anithydrogen verbinden können. Seit 2005 liegt diese Aufgabe in der Verantwortung von ATHENAs Nachfolger, dem ALPHA-Experiment.
Mit aktualisierten Instrumenten fängt ALPHA Atome von neutralem Antiwasserstoff ein und hält sie für einen längeren Zeitraum, bevor sie sich unweigerlich vernichten. Während dieser Zeit führen Forscherteams spektrographische Analysen mit dem Ultraviolettlaser von ALPHA durch, um festzustellen, ob die Atome den gleichen Gesetzen wie Wasserstoffatome entsprechen. Wie Jeffrey Hangst, der Sprecher der ALPHA-Zusammenarbeit, in einem CERN-Update erklärte:
„Die Verwendung eines Lasers zur Beobachtung eines Übergangs von Antiwasserstoff und der Vergleich mit Wasserstoff, um festzustellen, ob sie denselben physikalischen Gesetzen entsprechen, war schon immer ein wichtiges Ziel der Antimaterieforschung. Das Bewegen und Einfangen von Antiprotonen oder Positronen ist einfach, da es sich um geladene Teilchen handelt. Wenn Sie beide kombinieren, erhalten Sie neutrales Antiwasserstoff, das weitaus schwieriger einzufangen ist. Deshalb haben wir eine ganz besondere Magnetfalle entwickelt, die darauf beruht, dass Antiwasserstoff ein wenig magnetisch ist. “
Auf diese Weise konnte das Forscherteam die Lichtfrequenz messen, die erforderlich ist, damit ein Positron von seinem niedrigsten Energieniveau zum nächsten übergeht. Sie fanden heraus, dass (innerhalb experimenteller Grenzen) kein Unterschied zwischen den Antiwasserstoff-Spektraldaten und denen von Wasserstoff bestand. Diese Ergebnisse sind eine experimentelle Premiere, da sie die ersten spektralen Beobachtungen eines Antiwasserstoffatoms sind.
Diese Ergebnisse ermöglichen nicht nur erstmals Vergleiche zwischen Materie und Antimaterie, sondern zeigen auch, dass das Verhalten der Antimaterie - angesichts ihrer spektrographischen Eigenschaften - mit dem Standardmodell übereinstimmt. Insbesondere stimmen sie mit der sogenannten CPT-Symmetrie (Charge-Parity-Time) überein.
Diese Symmetrietheorie, die für die etablierte Physik von grundlegender Bedeutung ist, sagt voraus, dass die Energieniveaus in Materie und Antimaterie gleich sind. Wie das Team in seiner Studie erklärte:
„Wir haben die erste laserspektroskopische Messung an einem Antimaterie-Atom durchgeführt. Dies ist seit langem eine begehrte Leistung in der Niedrigenergie-Antimaterie-Physik. Es markiert einen Wendepunkt von Proof-of-Principle-Experimenten zu ernsthaften Mess- und Präzisions-CPT-Vergleichen unter Verwendung des optischen Spektrums eines Anti-Atoms. Das aktuelle Ergebnis… zeigt, dass Tests grundlegender Symmetrien mit Antimaterie an der AD schnell reifen. “
Mit anderen Worten, die Bestätigung, dass Materie und Antimaterie ähnliche spektrale Eigenschaften aufweisen, ist ein weiterer Hinweis darauf, dass das Standardmodell Bestand hat - genau wie die Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012. Es zeigte auch die Wirksamkeit des ALPHA-Experiments beim Einfangen von Antimaterieteilchen, was Vorteile für andere Antiwasserstoff-Experimente haben wird.
Natürlich waren die CERN-Forscher von diesem Fund sehr begeistert, und es wird erwartet, dass er drastische Auswirkungen hat. Es wird nicht nur ein neues Mittel zum Testen des Standardmodells angeboten, sondern es soll auch dazu beitragen, dass Wissenschaftler verstehen, warum es im Universum ein Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie gibt. Ein weiterer entscheidender Schritt, um genau zu entdecken, wie das Universum, wie wir es kennen, entstanden ist.
