Ο βαθύς ανιχνευτής αντιύλης δοκιμάζει την ειδική σχετικότητα του Αϊνστάιν
Μετά από δεκαετίες προσπάθειας, οι φυσικοί έχουν διερευνήσει την εσωτερική λειτουργία των ατόμων του αντιυδρογόνου - της αντιύλης εκδοχής του υδρογόνου - μετρώντας για πρώτη φορά ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος φωτός που απορροφούν. Η πρόοδος ανοίγει τον δρόμο για την ακριβή σύγκριση υδρογόνου και αντιυδρογόνου και, παραδόξως, για τη δοκιμή της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας - της 111χρονης θεωρίας του Άλμπερτ Αϊνστάιν για το πώς ο χώρος και ο χρόνος φαίνονται στους παρατηρητές που κινούνται μεταξύ τους, η οποία, μεταξύ άλλων, λέει ότι τίποτα δεν μπορεί να κινηθεί πιο γρήγορα από το φως.
«Είναι ένα εκπληκτικό αποτέλεσμα», λέει ο Alan Kostelecky, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο της Ιντιάνα στο Μπλούμινγκτον που δεν συμμετείχε στη δουλειά. Για δεκαετίες, οι πειραματιστές ονειρευόντουσαν να μετρήσουν το φάσμα του φωτός που απορροφάται από το αντιυδρογόνο, λέει ο Kostelecky. "Εδώ είναι. Το κάνουν τώρα."
Ακριβώς όπως ένα άτομο υδρογόνου αποτελείται από ένα ηλεκτρόνιο συνδεδεμένο με ένα πρωτόνιο, το αντιυδρογόνο είναι ένα αντιηλεκτρόνιο (ή ποζιτρόνιο) συνδεδεμένο με ένα αντιπρωτόνιο. Φυσικά, το αντιυδρογόνο δεν υπάρχει στη φύση. Επειδή η ύλη και τα σωματίδια αντιύλης εξαφανίζονται μεταξύ τους, το αντιυδρογόνο θα εξαφανιζόταν μόλις άγγιζε την ύλη. Έτσι οι φυσικοί πρέπει να φτιάξουν τα πράγματα στο εργαστήριο. Ωστόσο, αναμένουν ότι οι ιδιότητες του αντιυδρογόνου αντικατοπτρίζουν ακριβώς αυτές του υδρογόνου.
Το να εξηγήσουμε ακριβώς γιατί η ειδική σχετικότητα απαιτεί την αντιύλη για να αντικατοπτρίζει την ύλη περιλαμβάνει πολλά μαθηματικά. Αλλά με λίγα λόγια, αν αυτή η σχέση καθρέφτη δεν ήταν ακριβής, τότε η βασική ιδέα πίσω από την ειδική σχετικότητα δεν θα μπορούσε να είναι ακριβώς σωστή, λέει ο Kostelecky. Η Ειδική Σχετικότητα υποθέτει ότι ένα ενιαίο ενιαίο πράγμα που ονομάζεται χωροχρόνος χωρίζεται διαφορετικά σε χώρο και χρόνο για παρατηρητές που κινούνται ο ένας σχετικά με τον άλλο. Υποθέτει ότι κανένας παρατηρητής δεν μπορεί να πει ποιος πραγματικά κινείται και ποιος είναι ακίνητος. Όμως, αυτό δεν μπορεί να είναι ακριβώς σωστό εάν η ύλη και η αντιύλη δεν αντικατοπτρίζονται η μία την άλλη.
Γι' αυτό οι φυσικοί έχουν φαγούρα για να μετρήσουν το φάσμα του αντιυδρογόνου. Ένα άτομο υδρογόνου δεν μπορεί να απορροφήσει ή να εκπέμψει φως οποιουδήποτε παλιού μήκους κύματος. Αντίθετα, μπορεί να απορροφήσει ή να εκπέμψει φως μόνο ορισμένων ευδιάκριτων μηκών κύματος, καθώς το ηλεκτρόνιο σε αυτό μεταπηδά από το ένα κβαντοποιημένο επίπεδο ενέργειας στο άλλο - το γεγονός ότι πριν από έναν αιώνα ώθησε την εφεύρεση της κβαντικής μηχανικής. Εάν η σχετικότητα είναι σωστή, αυτά τα μήκη κύματος πρέπει να είναι ακριβώς τα ίδια για το υδρογόνο και το αντιυδρογόνο.
Τώρα, ο Jeffrey Hangst του Πανεπιστημίου Aarhus στη Δανία και άλλοι 53 φυσικοί με ένα πείραμα που ονομάζεται ALPHA-2 μέτρησαν το μήκος κύματος του φωτός που απορροφάται από το αντιυδρογόνο καθώς το ποζιτρόνιο σε αυτό μεταπηδά μεταξύ δύο συγκεκριμένων επιπέδων - τα λεγόμενα επίπεδα 1s και 2s. Εργαζόμενοι στο Ευρωπαϊκό εργαστήριο φυσικής σωματιδίων, CERN, στο Meyrin της Ελβετίας, μέτρησαν αυτή τη «φασματική γραμμή» με ακρίβεια μερικών μερών σε 10 δισεκατομμύρια, όπως αναφέρουν στο διαδίκτυο σήμερα στο Nature . Στο υδρογόνο, αυτή η γραμμή έχει μετρηθεί 100.000 φορές με μεγαλύτερη ακρίβεια. Ωστόσο, το αποτέλεσμα σηματοδοτεί την αρχή της φασματοσκοπίας αντιυδρογόνου, λέει ο Hangst. «Δουλεύω για περισσότερα από 20 χρόνια για να φτάσω σε αυτό το σημείο.
Για να φτιάξουν αντιυδρογόνο, οι φυσικοί παγίδευσαν περίπου 1,6 εκατομμύρια ποζιτρόνια και 90.000 αντιπρωτόνια σε αντίθετα άκρα μιας κυλινδρικής παγίδας χρησιμοποιώντας ηλεκτρικά πεδία. Έφεραν τα ποζιτρόνια και τα αντιπρωτόνια μαζί για να σχηματίσουν περίπου 25.000 αφόρτιστα άτομα αντιυδρογόνου, τα οποία προσπάθησαν αμέσως να παγιδέψουν με μαγνητικά πεδία. Έπιασαν περίπου 14 άτομα ανά δοκιμή. Αυτό είναι περίπου 10 φορές περισσότερο αντιυδρογόνο ανά πάσα στιγμή από ό,τι η ομάδα παρήγαγε το 2012, όταν γαργαλούσε για πρώτη φορά άτομα αντιυδρογόνου με ραδιοκύματα.
Αν δούλευαν με υδρογόνο, οι φυσικοί θα μπορούσαν να είχαν διεγείρει τα άτομα, ας πούμε, με ηλεκτρισμό και να αναλύσουν το φως που ακτινοβολούσαν. Με τόσα λίγα άτομα αντιυδρογόνου, έπρεπε να κάνουν κάτι πιο λεπτό. Έλαμψαν μέσα από την παγίδα ένα λέιζερ συντονισμένο για να διεγείρει τα άτομα της αντιύλης. Μόλις ενθουσιαστεί, ένα άτομο θα μπορούσε να «χαλαρώσει» πίσω στην αρχική του κατάσταση. Ή θα μπορούσε να απορροφήσει ένα άλλο φωτόνιο και να χάσει το ποζιτρόνιό του ή να χαλαρώσει με τρόπο που θα ανατρέψει το σπιν του ποζιτρονίου. Οι δύο τελευταίες πιθανότητες θα άλλαζαν το άτομο έτσι ώστε η παγίδα να μην το συγκρατεί πλέον.
Ως αποτέλεσμα, ο Hangst και η εταιρεία μπορούσαν να προσδιορίσουν εάν τα άτομα απορροφούσαν το φως εκπέμποντας το λέιζερ πάνω τους για 10 λεπτά και στη συνέχεια μετρώντας τα άτομα που είχαν απομείνει στην παγίδα. Απλώς απενεργοποίησαν την παγίδα και άφησαν τα υπόλοιπα αντι-άτομα να επιπλέουν σε έναν περιβάλλοντα ανιχνευτή σωματιδίων. «Τα άτομα αντιυδρογόνου ανατινάζονται στο πρόσωπό σου», λέει ο Hangst, «έτσι μπορείς να μετρήσεις κάθε ένα από αυτά». Οι ερευνητές συνέκριναν τον αριθμό μεταξύ των περιπτώσεων κατά τις οποίες το λέιζερ συντονίστηκε στη μετάβαση ποζιτρονίων, έναντι των περιπτώσεων που το λέιζερ ήταν συντονισμένο μακριά από αυτό ή σταμάτησε.
Η πρόχειρη πρώτη μέτρηση ήδη δοκιμάζει την ειδική σχετικότητα, λέει ο Kostelecky. Το 1997, ανέπτυξε ένα θεωρητικό πλαίσιο που ονομάζεται τυπική επέκταση μοντέλου (SME) που ξεκινά με την επικρατούσα θεωρία της σωματιδιακής φυσικής και περιλαμβάνει κάθε πιθανή παραβίαση της έννοιας πίσω από την ειδική σχετικότητα. Ωστόσο, λέει, επειδή υπάρχουν πολλά είδη σωματιδίων, δεν υπάρχει ενιαία οριστική δοκιμή της αρχής. Για παράδειγμα, άλλοι φυσικοί έχουν συγκρίνει τις μάζες και τη διάρκεια ζωής των σωματιδίων που ονομάζονται μεσόνια Κ και τα αντισωματίδια τους. Αλλά αυτές οι συγκρίσεις δοκιμάζουν διαφορετικά μέρη της ΜΜΕ, λέει ο Kostelecky.
Οι φυσικοί του ALPHA-2 μπορούν να βελτιώσουν τη μέτρηση σαρώνοντας προσεκτικά το μήκος κύματος του λέιζερ μέσω της μετάβασης 1s-2s, όπως σχεδιάζουν να κάνουν το επόμενο έτος, λέει ο Hangst. Σχεδιάζουν να μετρήσουν άλλες φασματικές γραμμές και ακόμη και να δοκιμάσουν την έλξη της βαρύτητας σε αντιυδρογόνο—για να δουν εάν έλκεται προς τα κάτω ή ωθείται προς τα πάνω.
