Τα άτομα και τα αντιάτομα δεν έχουν καταρρίψει τη θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν—ακόμα
Όπως κάθε Star Trek Ο θαυμαστής ξέρει, η αντιύλη υποτίθεται ότι είναι ακριβώς το αντίθετο της ύλης—έτσι ώστε, αν τα δύο αγγίξουν, εξαφανίζονται ο ένας τον άλλον σε μια λάμψη καθαρής ενέργειας. Τώρα, μετά από δεκαετίες προσπαθειών, οι φυσικοί έχουν συγκρίνει με ακρίβεια άτομα και αντιάτομα. Και οι δύο φαίνεται να συμπεριφέρονται με τον ίδιο τρόπο σε μια μικρή αβεβαιότητα, και με έναν περίπλοκο τρόπο το αποτέλεσμα υποστηρίζει τη βάση της θεωρίας της ειδικής σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν. Ανοίγει επίσης το δρόμο για πιο αυστηρές συγκρίσεις ύλης-αντιύλης—και την πιθανότητα τα δύο να μην είναι ακριβώς αντίθετα.
«Το περιμέναμε για 30 χρόνια», λέει ο Thomas Udem, ένας πειραματικός φυσικός στο Ινστιτούτο Max Planck για την Κβαντική Οπτική στο Garching της Γερμανίας, ο οποίος εργάζεται σε μετρήσεις ακριβείας του υδρογόνου. «Το θεωρώ απίστευτο επίτευγμα». Η μέτρηση είναι "ένα έργο τέχνης", λέει ο Stefan Ulmer, ένας πειραματιστής στο ερευνητικό ινστιτούτο RIKEN της Ιαπωνίας στο Wako, ο οποίος επίσης δεν συμμετείχε στη νέα εργασία.
Ένα άτομο αντιυδρογόνου αποτελείται από ένα αντιηλεκτρόνιο (ή ποζιτρόνιο) συνδεδεμένο με ένα αντιπρωτόνιο. Από το 2002, μερικές ομάδες έχουν μελετήσει αντιυδρογόνο στο Ευρωπαϊκό εργαστήριο σωματιδιακής φυσικής CERN κοντά στη Γενεύη της Ελβετίας, τη μόνη σημαντική πηγή αντιπρωτονίων στον κόσμο. Τέτοιες εργασίες δεν θα οδηγήσουν σε κάτι σαν το Star Trek 's warp drive, αλλά μπορεί να επιτρέψει στους φυσικούς να προσδιορίσουν εάν τα άτομα υδρογόνου και αντιυδρογόνου έχουν ακριβώς τις ίδιες μάζες, σπιν και άλλες βασικές ιδιότητες.
Αν όχι, το αποτέλεσμα θα χαλούσε το τυπικό μοντέλο των θεμελιωδών σωματιδίων και δυνάμεων των φυσικών. Η θεωρία διαθέτει ένα είδος μαθηματικής συμμετρίας που απαιτεί τα σωματίδια και τα αντισωματίδια να είναι κατοπτρικά αντίθετα. Καταστρέψτε αυτή τη συμμετρία και, επανεξετάζοντας τη θεωρία, οι συνέπειες θα ανέτρεπαν την κεντρική υπόθεση της ειδικής θεωρίας του Αϊνστάιν - ουσιαστικά την έννοια ότι δεν υπάρχει τρόπος να πούμε εάν είστε ακίνητοι ή κινείστε σε σχέση με το σύμπαν. Έτσι, οποιαδήποτε διαφορά μεταξύ ύλης και αντιύλης θα απαιτούσε μια επανεξέταση όλης της σύγχρονης φυσικής.
Ένα βασικό τεστ συμμετρίας ύλης-αντιύλης είναι η σύγκριση των συχνοτήτων του φωτός που απορροφάται από τα άτομα υδρογόνου και αντιυδρογόνου. Σύμφωνα με την κβαντομηχανική, ένα άτομο μπορεί να απορροφήσει μόνο ένα φωτόνιο συγκεκριμένων ενεργειών και χρωμάτων καθώς το ηλεκτρόνιο μέσα στο άτομο μεταπηδά από μια κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας σε μια κατάσταση υψηλότερης ενέργειας. Σύμφωνα με το τυπικό μοντέλο, το υδρογόνο και το αντιυδρογόνο θα πρέπει να έχουν τις ίδιες ακριβώς καταστάσεις και να απορροφούν φωτόνια των ίδιων ακριβώς ενεργειών.
Τώρα, ο Jeffrey Hangst, ένας πειραματικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Aarhus στη Δανία, και οι 48 συνάδελφοί του στη συνεργασία ALPHA στο CERN έχουν μετρήσει με ακρίβεια τη διαφορά ενέργειας μεταξύ της χαμηλότερης ενεργειακής κατάστασης του αντιυδρογόνου, που ονομάζεται 1S, και μιας κατάστασης υψηλότερης ενέργειας γνωστής ως 2S. μακράν η πιο ακριβής μετρημένη μετάβαση στο συνηθισμένο υδρογόνο.
Αν οι πειραματιστές δούλευαν με συνηθισμένα άτομα υδρογόνου, θα μπορούσαν να είχαν χρησιμοποιήσει το φως λέιζερ για να ωθήσουν τα άτομα στην κατάστασή τους 2S και στη συνέχεια να τα γαργαλήσουν με ένα ηλεκτρικό πεδίο για να τα κάνουν να φθορίζουν. Ο συντονισμός της συχνότητας του λέιζερ για να μεγιστοποιήσει τον φθορισμό θα τροφοδοτούσε τότε την ακριβή ενέργεια μετάβασης. Αυτός είναι ο τρόπος με τον οποίο η μετάβαση 1S-2S στο υδρογόνο έχει μετρηθεί σε τέσσερα μέρη σε ένα εκατομμύριο, περίπου 1000 φορές πιο ακριβή από το νέο αποτέλεσμα αντιυδρογόνου, λέει ο Udem.
Ωστόσο, αυτή η μέθοδος δεν θα λειτουργήσει για το αντιυδρογόνο, επειδή οι ερευνητές του ALPHA συνήθως παγιδεύουν περίπου 40 άτομα ανά δοκιμή, πολύ λίγα για να παράγουν ανιχνεύσιμο φθορισμό. Άρα βασίζονται σε άλλο σχήμα. Χάρη στις ιδιορρυθμίες της κβαντικής θεωρίας, για να γίνει το άλμα 1S-2S, το αντιυδρογόνο (ή υδρογόνο) πρέπει να απορροφήσει δύο φωτόνια με τη μισή ενέργεια που απαιτείται για τη μετάβαση 1S-2S. Όταν είναι διεγερμένο, ένα άτομο μπορεί να απορροφήσει ένα τρίτο φωτόνιο, το οποίο αφαιρεί εντελώς το ποζιτρόνιό του. Στη συνέχεια, το αντιπρωτόνιο επιπλέει έξω από την παγίδα και σε μια περιβάλλουσα διάταξη ανιχνευτών σωματιδίων, στην οποία εκμηδενίζεται και παράγει μια υποατομική έκρηξη. Μετρώντας τα αντιπρωτόνια που διαφεύγουν, οι ερευνητές υπολόγισαν πόσα άτομα ήταν συναρπαστικά.
Πέρυσι, οι ερευνητές του ALPHA ανέφεραν την πρώτη τους παρατήρηση της μετάβασης 1S-2S σε αντιυδρογόνο. Τώρα, έχουν δείξει ότι ταιριάζει με το υδρογόνο σε δύο μέρη σε ένα τρισεκατομμύριο. Το ακριβές σχήμα της γραμμής απορρόφησης ταιριάζει επίσης με αυτό που παρατηρείται στο υδρογόνο, όπως αναφέρουν σήμερα οι ερευνητές στο Nature . "Έχουμε κάνει πραγματικά φασματοσκοπία λέιζερ σε αντιυδρογόνο", λέει ο Hangst. "Αυτός ήταν ένας στόχος ζωής."
Το πείραμα φαίνεται να σφίγγει τα όρια σε πιθανές παραβιάσεις της σχετικότητας κατά 10 έως 100, λέει ο Alan Kostelecky, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο της Ιντιάνα στο Μπλούμινγκτον. «Είναι σίγουρα ένα θεαματικό αποτέλεσμα», λέει. Ωστόσο, εντός του καθιερωμένου μοντέλου, μια παραβίαση της σχετικότητας θα μπορούσε να εκδηλωθεί με πολλούς τρόπους, και μερικά είναι ήδη πιο αυστηρά περιορισμένα από άλλους τύπους πειραμάτων, λέει ο Kostelecky.
Ο Hangst λέει ότι η ομάδα ALPHA μπορεί να προχωρήσει περισσότερο και να κάνει τη μέτρηση της μετάβασης 1S-2S τόσο ακριβή όσο αυτή που επιτυγχάνεται επί του παρόντος στο υδρογόνο. «Δεν θα είναι του χρόνου, αλλά δεν θα είναι ούτε 10 χρόνια», λέει. Όσο για το αν το αντιυδρογόνο θα είναι πραγματικά διαφορετικό από το υδρογόνο, οι περισσότεροι φυσικοί πιθανώς το θεωρούν μακρινό. Ωστόσο, αξίζει να το δοκιμάσουμε, λέει ο Ulmer:«Ο μόνος τρόπος για να μάθουμε είναι να ψάξουμε [για νέα φυσική] εκεί που δεν κοιτάξαμε ποτέ πριν». Σε μια από τις απλούστερες συγκρίσεις, ο Hangst και οι συνεργάτες του θα ήθελαν να δουν εάν τα άτομα αντιυδρογόνου «πέφτουν» προς τα πάνω κάτω από τη βαρύτητα της Γης—μην στοιχηματίζετε σε αυτό—μια δοκιμή που ο Hangst λέει ότι θα μπορούσαν να κάνουν φέτος.
