CERN: Μια νέα εποχή ακρίβειας μετρήσεων ανέτειλε για την έρευνα στην περιοχή της αντιύλης

Η συνεργασία ALPHA ανέφερε την πλέον ακριβή που έγινε ποτέ άμεση μέτρηση της αντιύλης, αποκαλύπτοντας τη φασματική δομή του ατόμου του αντι-υδρογόνου σε πρωτοφανή χρώματα. Το αποτέλεσμα, που δημοσιεύθηκε χθες στο Nature, είναι το αποκορύφωμα τριών δεκαετών έρευνας και προόδου στο CERN και ανοίγει μια τελείως νέα εποχή ελέγχων υψηλής ακρίβειας μεταξύ ύλης και αντιύλης.

Το απλό άτομο υδρογόνου, που συνίσταται από ένα ηλεκτρόνιο που περιφέρεται γύρω από ένα πρωτόνιο, είναι ένας γίγαντας στην βασική φυσική, θεμέλιο της σύγχρονης ατομικής εικόνας. Το φάσμα του χαρακτηρίζεται από καλά γνωστές φασματικές γραμμές σε συγκεκριμένα μήκη κύματος, ανταποκρινόμενα στην εκπομπή φωτονίων μιας συγκεκριμένης συχνότητας, ή χρώματος, όταν ηλεκτρόνια πηδούν μεταξύ διαφορετικών τροχιών. Μετρήσεις του φάσματος του υδρογόνου συμφωνούν με θεωρητικές προβλέψεις στο επίπεδο λίγων μερών σε ένα πέτα-(peta)-εκατομμύριο [quadrillion] (10^15) – εκπληκτικό επίτευγμα που οι ερευνητές της αντιύλης έχουν επί μακρόν επιδιώξει να πετύχουν για το αντι-υδρογόνο.

Η σύγκριση τέτοιων μετρήσεων με αυτές των ατόμων του αντι-υδρογόνου, που συνίσταται από ένα αντι-πρωτόνιο που περιφέρεται γύρω από ένα ποζιτρόνιο, ελέγχει μια θεμελιώδη συμμετρία που ονομάζεται αναλλοίωτο φορτίου-πάριτυ-χρόνου (CPT). Η ανακάλυψη μιας οποιαδήποτε μικρής διαφοράς μεταξύ των δυο θα ταρακουνούσε τα θεμέλια του Καθιερωμένου Προτύπου της σωματιδιακής φυσικής και ίσως έριχνε φως στο γιατί το σύμπαν αποτελείται σχεδόν εξ ολοκλήρου από ύλη, αν και θα (έπρεπε να)είχε δημιουργηθεί ίσο ποσό αντιύλης κατά τη Μεγάλη Έκρηξη. Μέχρι τώρα, ωστόσο, ήταν αδύνατο να παραχθεί και να παγιδευτεί αρκετός αριθμός των ευαίσθητων ατόμων αντι-υδρογόνου και να αποκτηθεί η απαραίτητη τεχνολογία οπτικής εξακρίβωσης, για να καταστήσει δυνατή μια σοβαρή φασματοσκοπία του αντι-υδρογόνου.

Η ομάδα ALPHA διαμορφώνει άτομα αντι-υδρογόνου παίρνοντας αντιπρωτόνια από τον Επιβραδυντή Αντιπρωτονίων (AD) του CERN και δένοντάς τα με ποζιτρόνια από μια πηγή νατρίου-22. Μετά περιορίζουν τα άτομα αντι-υδρογόνου που παράγουν σε μια μαγνητική παγίδα, η οποία τα εμποδίζει από το να έλθουν σε επαφή με ύλη και εκμηδενιστούν. Στη συνέχεια φως λέιζερ φώτιζε τα παγιδευμένα άτομα αντι-υδρογόνου. Η απόκρισή τους μετρήθηκε και τελικά συγκρίθηκε με αυτή του υδρογόνου.

Το 2016, η ομάδα ALPHA χρησιμοποίησε αυτή την προσέγγιση για να μετρήσει τη συχνότητα των ηλεκτρονιακών μεταβάσεων μεταξύ της καταστάσεως χαμηλότερης ενέργειας και της πρώτης διεγερμένης κατάστασης (την αποκαλούμενη μετάβαση 1S σε 2S) του αντι-υδρογόνου με ακρίβεια μερικών μερών στα δέκα δισεκατομμύρια, βρίσκοντας μια καλή συμφωνία με την ισοδύναμη μετάβαση στο υδρογόνο. Η μέτρηση ενέπλεξε τη χρήση δυο συχνοτήτων λέιζερ – μια που ταιριάζει με τη συχνότητα μετάβασης 1S-2S στο υδρογόνο και μια άλλη «αποσυντονισμένη» από αυτήν – και την απαρίθμηση του αριθμού των ατόμων που έπεσαν έξω από την παγίδα ως αποτέλεσμα των αλληλεπιδράσεων μεταξύ του λέιζερ και των παγιδευμένων ατόμων.

Το τελευταίο αποτέλεσμα από την ALPHA περνάει την φασματοσκοπία του αντι-υδρογόνου στο επόμενο επίπεδο, χρησιμοποιώντας όχι μόνο μία, αλλά διάφορες αποσυντονισμένες συχνότητες λέιζερ, με ελάχιστα χαμηλότερες και υψηλότερες συχνότητες από τη συχνότητα μετάβασης 1S-2S στο υδρογόνο. Αυτό επέτρεψε στην ομάδα να μετρήσει το σχήμα του φάσματος, ή το άπλωμα στα χρώματα, της μετάβασης 1S-2S στο αντι-υδρογόνο και να κάνει μια περισσότερο ακριβή μέτρηση της συχνότητάς της. Το σχήμα ταιριάζει με αυτό που αναμένεται για το υδρογόνο εξαιρετικά καλά και η ALPHA μπόρεσε να προσδιορίσει τη συχνότητα μετάβασης 1S-2S στο αντι-υδρογόνο με μια ακρίβεια μερικών μερών στο τρισεκατομμύριο – κατά ένα παράγοντα 100 καλύτερη από ότι η μέτρηση του 2016.

«Η ακρίβεια που επετεύχθη στη τελευταία μελέτη είναι το απόλυτο επίτευγμα για εμάς», εξηγεί ο εκπρόσωπος τύπου του πειράματος ALPHA, Jeffrey Hangst. «Προσπαθούμε να πετύχουμε αυτή την ακρίβεια για 30 χρόνια και τελικά το κάναμε». Αν και η ακρίβεια ακόμη είναι μικρότερη αυτής για το συνηθισμένο υδρογόνο, η ταχεία πρόοδος που έγινε από την ALPHA υποδηλώνει ότι είναι τώρα πλέον εφικτή ακρίβεια στο αντι-υδρογόνο όπως αυτή στο υδρογόνο – και έτσι πρωτοφανείς έλεγχοι της συμμετρίας CPT .

Ακούστε τον εκπρόσωπο τύπου στο παρακάτω video:

Πηγή: CERN

Περισσότερα στην (ελεύθερη) δημοσίευση: Characterization of the 1S–2S transition in antihydrogen. Nature.