Eksperyment ALPHA w CERN pomoże zrozumieć różnice między materią i antymaterią
Odkrycia dokonane dzięki eksperymentowi ALPHA w CERN być może pozwolą zrozumieć różnice w zachowaniu materii i antymaterii. Fizycy po raz pierwszy zaobserwowali przejście Lyman-alfa w atomie antywodoru.
Przejście Lyman-alfa (1S-2P) to jedno z kilku przejść elektronów, które zostały odkryte w atomie wodoru przez fizyka Theodora Lymana na początku XX wieku. Przejście to następuje, gdy elektron przeskakuje z poziomu najniższej energii (1S) do poziomu wyższej energii (2P), a następnie znów wraca do poziomu 1S i emituje foton o długości fali 121,6 nanometrów.
Przejście Lyman-alfa jest wyjątkowe. W astronomii pozwala badać ośrodek międzygalaktyczny oraz testować modele kosmologiczne. Z kolei w badaniach nad antymaterią może pozwolić na precyzyjne pomiary reakcji antywodoru na światło i grawitację. Wykrycie nawet niewielkiej różnicy w zachowaniu między antymaterią i materią naruszyłoby podstawy Modelu Standardowego fizyki cząstek elementarnych i być może pozwoliłoby wyjaśnić, dlaczego widzialny wszechświat składa się praktycznie w całości z materii, choć równe ilości antymaterii powinny powstać w Wielkim Wybuchu.
Naukowcy pracujący przy eksperymencie ALPHA w CERN stworzyli atomy antywodoru, korzystając z antyprotonów, które związano z pozytonami pochodzącymi z sodu-22. Atomy antywodoru zatrzymano w pułapce magnetycznej, aby nie dopuścić do kontaktu z materią, co doprowadziłoby do ich anihilacji, a następnie podświetlono je laserem żeby zmierzyć ich charakterystykę widmową.
Badacze już wcześniej zastosowali tę technikę dla zmierzenia przejścia 1S-2S. Teraz używając tego samego podejścia i długości fali 121,6 nanometrów i okolic, eksperyment ALPHA wykrył przejście Lyman-alfa w antywodorze i zmierzył jego częstotliwość z dokładnością kilku części na sto milionów, uzyskując dobrą zgodność z równowartością przejścia w wodorze.
Choć precyzja nie była tak wysoka, jak w przypadku wodoru, naukowcy wykonali wielki technologiczny krok w kierunku zastosowania przejścia Lyman-alfa do schładzania dużych próbek antywodoru przy użyciu techniki schładzania laserem. Próbki te pozwoliłyby badaczom zwiększyć precyzję tego i innych pomiarów antywodoru do poziomu, przy którym jakiekolwiek różnice między zachowaniem wodoru i antywodoru stałyby się zauważalne.
Naukowcy nie ukrywają podekscytowania wynikami swoich prac. Przejście Lyman-alfa jest bardzo trudne do zbadania nawet przy wodorze, ale udało się tego dokonać dzięki pułapkowaniu i utrzymaniu dużej ilości atomów antywodoru przez kilka godzin oraz przy zastosowaniu pulsacyjnego źródła światła. Kolejnym etapem badań będzie zastosowanie techniki chłodzenia laserem, które będzie przełomem w dziedzinie spektroskopii precyzyjnej i pomiarów grawitacji.
