Ny indsigt i undvigende antimateriale kan hjælpe med at opklare universers mysterier

Fysikere har troet, at universet er lavet af både stof og antimateriale siden 1930'erne. Selvom vi godt ved, hvad det fysiske stof er, antimateriale er forblevet et undvigende stof.

Men det er ved at ændre sig:Vores nyligt publicerede forskning om antihydrogen-brintets antimateriale-modstykke-indvarsler en ny æra i bestræbelserne på at forstå mere om antimateriale, og hvordan det er lykkedes at unddrage os.

Så hvad er antimateriale? I slutningen af ​​1920'erne, Paul Dirac forudsagde eksistensen af ​​"spejl" -partikler - modsatte modstykker til de allerede kendte elektroner og protoner. Disse spejlpartikler havde modsat ladning, så de var en positiv elektron og en negativ proton - senere kaldet positron og antiproton. Positronen blev opdaget et par år senere i 1932, men det tog videnskabsmænd indtil 1955 at opdage antiprotonen.

Opdagelsen var vanskelig, da antimateriale ikke synes at være udbredt i universet. Faktisk, antiprotonen blev kun opdaget, fordi en partikelaccelerator blev bygget specifikt til at skabe dem.

Ifølge Einsteins berømte ligning kan E =mc² masse omdannes til energi og omvendt. Acceleratoren fungerede ved at levere nok energi til at skabe antiprotoner ved at omdanne energi til masse. Masse er en kompakt indehaver af energi, men ikke alt kan normalt frigives - selv et atomvåben frigiver kun en lille brøkdel af energien i dets masse.

Når en partikel og dens antipartikel bringes sammen, de tilintetgør hinanden - det vil sige, at de kolliderer og forsvinder - og al deres masseenergi frigives i et lysudbrud. Det modsatte er også sandt:med tilstrækkelig energi, vi kan skabe stof, men som udslettelse, denne proces er også symmetrisk, så stof og antimateriale vil altid blive skabt i lige store mængder.

Dette er den proces, hvormed den første antiproton blev oprettet, og det er stadig det, vi bruger i dag. Men det er utroligt ineffektivt:i en typisk skabelsesproces ved CERN -antiproton -deceleratoren, ca. 1 m protoner kollideres med et metaltavle for at give et enkelt antiproton.

Hvorfor betyder det noget?

Fysikere mener, at universet blev skabt i Big Bang for milliarder af år siden, og især at det startede så varmt og lillebitte, at der ikke kunne dannes partikler i starten. Da denne ur -energisuppe afkøledes, partikler og antipartikler dannet i lige store mængder. Men mindre end et sekund efter Big Bang, der skete noget, der forårsagede asymmetri, efterlader et lille overskud af stof. Så hvor blev al antimateriale af? Vi ved det simpelthen ikke - dette er et af fysikkens største mysterier.

Der er ingen forklaring på denne asymmetri, vi kan faktisk ikke forklare, hvordan vi kan være her, da denne asymmetri er nødvendig for at det univers, vi ved, eksisterer.

På trods af mange levetider med omhyggelig observation af himlen, hidtil er der ikke fundet spor til at fortælle os, hvorfor der er denne asymmetri mellem stof og antimateriale. Mange videnskabsmænd har på forskellige måder set på antistof, at forsøge at finde ud af, om der er en grundlæggende forskel mellem det og stof, der kunne have forårsaget denne asymmetri. Den traditionelle metode er at se på resultaterne af høje energikollisioner, for eksempel ved at bruge den store hadronkollider ved CERN. Imidlertid, vi forfølger nu et meget lovende alternativ til dette.

Brint er det mest forekommende stof i universet og består af kun en elektron og en proton. Det er rimeligt at sige, at det er det bedst forståede system inden for fysik, både eksperimentelt og teoretisk. Det spillede også en central rolle i de opdagelser, der førte til kvantemekanik. Hydrogens indre egenskaber er blevet undersøgt til svimlende præcision ved hjælp af lasere, og energiforskellen mellem dens grundtilstand og den første ophidsede tilstand - hvor den har overskydende energi - kendes detaljeret. Det ligner en guitarstreng - dens jordtilstand betyder, at strengen ikke vibrerer, og en ophidset tilstand betyder, at den er. Jo mere det vibrerer, jo mere spændt er det.

I mere end 30 år, forskere har arbejdet på at opklare mysteriet om antistof ved hjælp af antibrint, og vi har netop opnået et stort gennembrud.

Det, vi lige har gjort, er at skinne laserlys på fangede antihydrogenatomer og ophidse dem til deres første ophidsede tilstand. Vi kan studere deres adfærd, når de får energi fra laserlyset (bliver ophidsede). Til sidst, de går fra hinanden - sådan kunne vi se, at de havde absorberet energien.

En af grundene til, at det har været så svært at gøre dette, er, at antimateriale altid udslettes, når det støder på materie. Dette gør det udfordrende at opbevare - du kan ikke bare putte det i en flaske. Imidlertid, vi har allerede formået at fremstille og holde antibrint ved hjælp af en række elektromagneter, der kan begrænse det, som tillod os at lave denne undersøgelse.

Denne allerførste måling giver os mulighed for at sammenligne brint og antibrint med hidtil uset præcision – ja, det er den mest præcise sammenligning af et atom og et antiatom, der nogensinde er foretaget.

Ved hjælp af denne måling, de ligner hinanden, og selvom det var forventeligt, det er den første eksperimentelle bekræftelse. For nu, mysteriet om det undvigende antistof fortsætter – men det er noget, vi fortsætter med at forfølge.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.