Sin da quando è stata proposta l'esistenza dell'antimateria all'inizio del XX secolo, gli scienziati hanno cercato di capire come si relaziona alla materia normale e perché vi sia un apparente squilibrio tra i due nell'Universo. Per fare questo, la ricerca sulla fisica delle particelle negli ultimi decenni si è concentrata sull'anti-particella dell'atomo più elementare e abbondante nell'Universo - la particella antiidrogeno.
Fino a poco tempo fa, questo è stato molto difficile, poiché gli scienziati sono stati in grado di produrre antiidrogeno, ma non sono stati in grado di studiarlo per molto prima che si annichilasse. Ma secondo un recente studio pubblicato in Natura, un team che utilizza l'esperimento ALPHA è stato in grado di ottenere le prime informazioni spettrali sull'antiidrogeno. Questo risultato, che era in via di 20 anni, potrebbe aprire un'era completamente nuova di ricerca sull'antimateria.
Misurare il modo in cui gli elementi assorbono o emettono luce - cioè la spettroscopia - è un aspetto importante della fisica, della chimica e dell'astronomia. Non solo consente agli scienziati di caratterizzare atomi e molecole, ma consente agli astrofisici di determinare la composizione di stelle distanti analizzando lo spettro della luce che emettono.
In passato, molti studi sono stati condotti nello spettro dell'idrogeno, che costituisce circa il 75% di tutta la massa barionica nell'Universo. Questi hanno svolto un ruolo vitale nella nostra comprensione della materia, dell'energia e dell'evoluzione di molteplici discipline scientifiche. Ma fino a poco tempo fa, studiare lo spettro della sua anti-particella è stato incredibilmente difficile.
Per cominciare, richiede che le particelle che costituiscono antiidrogeno - antiprotoni e positroni (antielettroni) - vengano catturate e raffreddate in modo che possano unirsi. Inoltre, è quindi necessario mantenere queste particelle abbastanza a lungo da osservare il loro comportamento, prima che inevitabilmente entrino in contatto con la materia normale e si annichilino.
Fortunatamente, la tecnologia è progredita negli ultimi decenni al punto in cui è ora possibile la ricerca sull'antimateria, offrendo così agli scienziati l'opportunità di dedurre se la fisica dietro l'antimateria è coerente con il modello standard o andare oltre. Come il gruppo di ricerca del CERN - guidato dal Dr. Ahmadi del Dipartimento di Fisica dell'Università di Liverpool - ha indicato nel loro studio:
"Il Modello Standard prevede che ci dovrebbero essere state uguali quantità di materia e antimateria nell'Universo primordiale dopo il Big Bang, ma si ritiene che l'universo di oggi sia costituito quasi interamente da materia ordinaria. Questo motiva i fisici a studiare attentamente l'antimateria, per vedere se c'è una piccola asimmetria nelle leggi della fisica che regolano i due tipi di materia. "
A partire dal 1996, questa ricerca è stata condotta utilizzando l'esperimento AnTiHydrogEN Apparatus (ATHENA), parte della struttura del CERN Antiproton Decelerator. Questo esperimento è stato responsabile per la cattura di antiprotoni e positroni, per poi raffreddarli al punto da poterli combinare per formare anitidrogeno. Dal 2005, questo compito è diventato la responsabilità del successore di ATHENA, l'esperimento ALPHA.
Usando strumenti aggiornati, ALPHA cattura gli atomi di antiidrogeno neutro e li trattiene per un periodo più lungo prima che inevitabilmente si annichilino. Durante questo periodo, i team di ricerca conducono analisi spettrografiche usando il laser a ultravioletti di ALPHA per vedere se gli atomi obbediscono alle stesse leggi degli atomi di idrogeno. Come ha spiegato Jeffrey Hangst, portavoce della collaborazione ALPHA in un aggiornamento del CERN:
"Usare un laser per osservare una transizione nell'antiidrogeno e confrontarlo con l'idrogeno per vedere se obbediscono alle stesse leggi della fisica è sempre stato un obiettivo chiave della ricerca sull'antimateria ... Spostare e intrappolare antiprotoni o positroni è facile perché sono particelle cariche. Ma quando si combinano i due si ottiene un antiidrogeno neutro, che è molto più difficile da intrappolare, quindi abbiamo progettato una trappola magnetica molto speciale che si basa sul fatto che l'antiidrogeno è un po 'magnetico. "
In tal modo, il team di ricerca è stato in grado di misurare la frequenza della luce necessaria per far passare un positrone dal suo livello di energia più basso a quello successivo. Ciò che hanno scoperto è che (entro limiti sperimentali) non vi era alcuna differenza tra i dati spettrali dell'antiidrogeno e quelli dell'idrogeno. Questi risultati sono in primo luogo sperimentali, in quanto sono le prime osservazioni spettrali mai fatte di un atomo di antiidrogeno.
Oltre a consentire il confronto tra materia e antimateria per la prima volta, questi risultati mostrano che il comportamento dell'antimateria, rispetto alle sue caratteristiche spettrografiche, è coerente con il modello standard. Nello specifico, sono coerenti con la cosiddetta simmetria Charge-Parity-Time (CPT).
Questa teoria della simmetria, che è fondamentale per la fisica consolidata, prevede che i livelli di energia nella materia e nell'antimateria sarebbero gli stessi. Come ha spiegato il team nel loro studio:
“Abbiamo eseguito la prima misurazione laser spettroscopica su un atomo di antimateria. Questo è stato a lungo un risultato ricercato nella fisica dell'antimateria a bassa energia. Segna una svolta da esperimenti di prova di principio a metrologia seria e confronti CPT di precisione usando lo spettro ottico di un anti-atomo. Il risultato attuale ... dimostra che i test delle simmetrie fondamentali con l'antimateria nell'AD stanno maturando rapidamente. "
In altre parole, la conferma che materia e antimateria hanno caratteristiche spettrali simili è l'ennesima indicazione che il Modello Standard regge, proprio come ha fatto la scoperta del Bosone di Higgs nel 2012. Ha anche dimostrato l'efficacia dell'esperimento ALPHA nell'intrappolare le particelle di antimateria, che avrà benefici in altri esperimenti antiidrogeno.
Naturalmente, i ricercatori del CERN erano molto entusiasti di questa scoperta, e si prevede che abbia implicazioni drastiche. Oltre a offrire un nuovo mezzo per testare il Modello standard, ci si aspetta anche che aiuti molto gli scienziati a capire perché c'è uno squilibrio materia-antimateria nell'Universo. Ancora un altro passo cruciale nello scoprire esattamente come l'Universo come lo conosciamo è diventato.
