ALPHA observerer lysspektret af antimateriale for første gang

I et papir offentliggjort i dag i tidsskriftet Natur , ALPHA -samarbejdet rapporterer den første måling nogensinde på det optiske spektrum af et antimaterialeatom. Denne præstation har teknologisk udvikling, der åbner op for en helt ny æra inden for højpræcisions antimaterieforskning. Det er resultatet af over 20 års arbejde fra CERN -antimateriale -samfundet.

"Brug af en laser til at observere en overgang i antihydrogen og sammenligne det med hydrogen for at se, om de overholder de samme fysiske love, har altid været et centralt mål for antimateriale -forskning, "sagde Jeffrey Hangst, Talsmand for ALPHA -samarbejdet.

Atomer består af elektroner, der kredser om en kerne. Når elektronerne bevæger sig fra en bane til en anden, absorberer eller udsender de lys ved bestemte bølgelængder, danner atomets spektrum. Hvert element har et unikt spektrum. Som resultat, spektroskopi er et almindeligt anvendt værktøj inden for mange fysikområder, astronomi og kemi. Det hjælper med at karakterisere atomer og molekyler og deres indre tilstande. For eksempel, i astrofysik, ved at analysere lysspektret for fjerntliggende stjerner kan forskere bestemme deres sammensætning.

Med sin enkelt proton og enkelt elektron, brint er det mest rigelige, enkelt og velforstået atom i universet. Dets spektrum er blevet målt til meget høj præcision. Antihydrogenatomer, på den anden side er dårligt forstået. Fordi universet tilsyneladende udelukkende består af stof, bestanddelene i antihydrogenatomer - antiprotoner og positroner - skal fremstilles og samles til atomer, før antihydrogen -spektret kan måles. Det er en omhyggelig proces, men besværet værd, da enhver målbar forskel mellem spektrene for brint og antihydrogen ville bryde grundlæggende fysiske principper og muligvis hjælpe med at forstå puslespillet om ubalancen mellem stof og antimateriale i universet.

Dagens ALPHA -resultat er den første observation af en spektral linje i et antihydrogenatom, tillader lysspektret af stof og antimateriale at blive sammenlignet for første gang. Inden for eksperimentelle grænser, resultatet viser ingen forskel i forhold til den ækvivalente spektrallinje i hydrogen. Dette er i overensstemmelse med standardmodellen for partikelfysik, den teori, der bedst beskriver partikler og kræfterne mellem dem, som forudsiger, at hydrogen og antihydrogen skal have identiske spektroskopiske egenskaber.

ALPHA -samarbejdet forventer at forbedre præcisionen af ​​sine målinger i fremtiden. Måling af antibrintspektret med høj præcision giver et ekstraordinært nyt værktøj til at teste, om stof opfører sig anderledes end antimateriale og dermed yderligere teste robustheden af ​​standardmodellen.

ALPHA er et unikt eksperiment på CERNs Antiproton Decelerator -facilitet, i stand til at producere antydrogenatomer og holde dem i en specialdesignet magnetfælde, manipulere antiatomer et par ad gangen. Fangst af antihydrogenatomer gør det muligt at studere dem ved hjælp af lasere eller andre strålingskilder.

"At flytte og fange antiprotoner eller positroner er let, fordi de er ladede partikler, "sagde Hangst." Men når du kombinerer de to, får du neutralt antihydrogen, som er langt sværere at fange, så vi har designet en helt særlig magnetfælde, der er afhængig af, at antihydrogen er en lille smule magnetisk. "

Antihydrogen fremstilles ved at blande plasmaer på omkring 90, 000 antiprotoner fra Antiproton -deceleratoren med positroner, hvilket resulterer i produktion af omkring 25, 000 antydrogenatomer pr. Forsøg. Antihydrogenatomer kan blive fanget, hvis de bevæger sig langsomt nok, når de er skabt. Ved hjælp af en ny teknik, hvor samarbejdet stabler anti-atomer som følge af to på hinanden følgende blandingscykler, det er muligt at fange i gennemsnit 14 anti-atomer pr. forsøg, sammenlignet med kun 1,2 med tidligere metoder. Ved at belyse de fangede atomer med en laserstråle med en præcist afstemt frekvens, forskere kan observere strålens vekselvirkning med antihydrogens interne tilstande. Målingen blev udført ved at observere den såkaldte 1S-2S-overgang. 2S-tilstanden i atombrint er lang levetid, fører til en smal naturlig linjebredde, så den er særligt velegnet til præcisionsmåling.

Det nuværende resultat, sammen med de seneste grænser for forholdet mellem antiproton-elektronmassen, der er etableret ved ASACUSA-samarbejdet, og antiproton-ladning-til-masse-forhold bestemt af BASE-samarbejdet, demonstrere, at test af grundlæggende symmetrier med antimateriale ved CERN modnes hurtigt.