Un vuoto gorgogliante riempie lo spazio quantico, distorcendo la forma di ogni atomo di idrogeno nell'universo. E ora sappiamo che distorce anche il gemello di antimateria bizzarro del mondo dell'idrogeno: l'antiidrogeno.
L'antimateria è una sostanza poco conosciuta, rara nel nostro universo, che imita la materia quasi perfettamente, ma con tutte le proprietà capovolte. Ad esempio, gli elettroni sono minuscole particelle di materia che trasportano carica negativa. I loro gemelli di antimateria sono piccoli "positroni" che portano una carica positiva. Combina un elettrone e un protone (una particella di materia più grande e carica positivamente) e otterrai un semplice atomo di idrogeno. Combina un positrone di antimateria con un "antiprotone" e ottieni antiidrogeno. Quando la materia normale e l'antimateria si toccano, le particelle di materia e antimateria si annullano a vicenda.
Attualmente, l'antimateria sembra essere il gemello perfetto, antagonista della materia, e uno dei grandi misteri della fisica è il motivo per cui la materia ha dominato lo spazio mentre l'antimateria è diventata un po 'protagonista nell'universo. Trovare una differenza tra i due potrebbe aiutare a spiegare la struttura dell'universo moderno.
Il turno di Lamb era un buon posto per cercare quel tipo di differenza, ha affermato Makoto Fujiwara, un fisico canadese di particelle affiliato al CERN e coautore del nuovo studio, pubblicato il 19 febbraio sulla rivista Nature. I fisici quantistici hanno saputo di questo strano effetto quantistico, intitolato al fisico Willis Lamb dell'Università dell'Arizona, dal 1947. Alla prima grande conferenza postbellica dei fisici americani, Lamb rivelò che qualcosa di invisibile all'interno degli atomi di idrogeno spinge sulle loro particelle interne, creando un divario maggiore tra il protone e l'elettrone in orbita consentito dalla teoria nucleare esistente.
"In parole povere, il turno di Lamb è una manifestazione fisica dell'effetto del" vuoto "", ha detto Fujiwara a Live Science. "Quando pensi normalmente al vuoto, pensi a" niente ". Tuttavia, secondo la teoria della fisica quantistica, il vuoto è riempito con le cosiddette "particelle virtuali", che vengono costantemente nate e distrutte ".
Quel borbottio inquietante di brevi particelle semi-reali ha un impatto reale sull'universo circostante. E all'interno degli atomi di idrogeno crea una pressione che separa le due particelle collegate. La scoperta inaspettata ha vinto Lamb il premio Nobel per la fisica del 1955.
Ma mentre i fisici hanno saputo per decenni che lo spostamento dell'Agnello ha alterato l'idrogeno, non avevano idea se influenzasse anche l'antiidrogeno.
Fujiwara e i suoi coautori volevano scoprirlo.
"L'obiettivo generale dei nostri studi è di vedere se ci sono differenze tra idrogeno e antiidrogeno e non sappiamo in anticipo dove possa apparire una tale differenza", ha detto Fujiwara a Live Science.
Per studiare la domanda, i ricercatori hanno raccolto scrupolosamente campioni di antiidrogeno usando l'esperimento antimateria dell'Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA) presso l'Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN), il gigantesco laboratorio di fisica nucleare del continente. ALPHA impiega alcune ore per generare un campione di antiidrogeno abbastanza grande da lavorare, ha detto Fujiwara.
Sospende la sostanza in campi magnetici che respingono la materia. I ricercatori ALPHA hanno quindi colpito l'antidrogeno intrappolato con la luce laser per studiare come l'antimateria interagisce con i fotoni, il che può rivelare le proprietà nascoste dei piccoli anti-atomi.
Ripetendo il loro esperimento una dozzina di volte su diversi campioni di antiidrogeno in condizioni diverse, i ricercatori ALPHA non hanno trovato alcuna differenza tra il cambiamento di Lamb nell'idrogeno e il cambiamento di Lamb nell'antiidrogeno che i loro strumenti potevano rilevare.
"Attualmente, non esiste alcuna differenza nota tra le proprietà fondamentali dell'antiidrogeno e l'idrogeno regolare", ha detto Fujiwara. "Se troviamo qualche differenza, anche la più piccola, forzerebbe un cambiamento radicale nel modo in cui comprendiamo il nostro universo fisico."
Sebbene i ricercatori non abbiano ancora trovato differenze, la fisica dell'antiidrogeno è ancora un campo giovane. I fisici non avevano nemmeno studiato facilmente campioni del materiale fino al 2002 e ALPHA non ha iniziato a catturare sistematicamente i campioni di idrogeno fino al 2011.
Questa scoperta è un "primo passo", ha detto Fujiwara, ma resta ancora molto da studiare prima che i fisici capiranno davvero come si confrontano l'idrogeno e l'antiidrogeno.
