I ett papper publicerat idag i tidningen Natur , ALPHA-samarbetet rapporterar den första mätningen någonsin på det optiska spektrumet av en antimateriaatom. Denna prestation presenterar teknisk utveckling som öppnar upp en helt ny era inom antimateriaforskning med hög precision. Det är resultatet av över 20 års arbete av CERN:s antimateriagemenskap.

"Att använda en laser för att observera en övergång i antiväte och jämföra den med väte för att se om de följer samma fysiklagar har alltid varit ett nyckelmål för antimateriaforskning, " sa Jeffrey Hangst, Talesperson för ALPHA-samarbetet.

Atomer består av elektroner som kretsar kring en kärna. När elektronerna rör sig från en bana till en annan absorberar eller avger de ljus vid specifika våglängder, bildar atomens spektrum. Varje element har ett unikt spektrum. Som ett resultat, spektroskopi är ett vanligt verktyg inom många fysikområden, astronomi och kemi. Det hjälper till att karakterisera atomer och molekyler och deras inre tillstånd. Till exempel, i astrofysik, Genom att analysera ljusspektrumet hos avlägsna stjärnor kan forskare bestämma deras sammansättning.

Med sin enda proton och singelelektron, väte är det vanligaste, enkel och välförstådd atom i universum. Dess spektrum har mätts med mycket hög precision. Antiväteatomer, å andra sidan är dåligt förstådda. Eftersom universum tycks bestå helt av materia, beståndsdelarna i antiväteatomer – antiprotoner och positroner – måste produceras och sättas samman till atomer innan antivätespektrumet kan mätas. Det är en mödosam process, men väl värt ansträngningen eftersom varje mätbar skillnad mellan väte- och antivätespektra skulle bryta fysikens grundläggande principer och möjligen hjälpa till att förstå pusslet med obalansen mellan materia och antimateria i universum.

Dagens ALPHA-resultat är den första observationen av en spektrallinje i en antiväteatom, gör att ljusspektrumet av materia och antimateria kan jämföras för första gången. Inom experimentella gränser, resultatet visar ingen skillnad jämfört med den ekvivalenta spektrallinjen i väte. Detta överensstämmer med standardmodellen för partikelfysik, teorin som bäst beskriver partiklar och de krafter som verkar mellan dem, som förutspår att väte och antiväte bör ha identiska spektroskopiska egenskaper.

ALPHA-samarbetet förväntar sig att förbättra precisionen i sina mätningar i framtiden. Att mäta antivätespektrumet med hög precision erbjuder ett extraordinärt nytt verktyg för att testa om materia beter sig annorlunda än antimateria och därmed ytterligare testa standardmodellens robusthet.

ALPHA är ett unikt experiment vid CERNs Antiproton Decelerator-anläggning, kan producera antiväteatomer och hålla dem i en specialdesignad magnetfälla, manipulera antiatomer några åt gången. Att fånga antiväteatomer gör att de kan studeras med laser eller andra strålningskällor.

"Att flytta och fånga antiprotoner eller positroner är lätt eftersom de är laddade partiklar, " sa Hangst. "Men när du kombinerar de två får du neutralt antiväte, som är mycket svårare att fånga, så vi har designat en mycket speciell magnetisk fälla som förlitar sig på det faktum att antiväte är lite magnetiskt."

Antiväte framställs genom att blanda plasma av cirka 90, 000 antiprotoner från Antiproton Decelerator med positroner, vilket resulterade i produktion av cirka 25, 000 antiväteatomer per försök. Antiväteatomer kan fångas om de rör sig tillräckligt långsamt när de skapas. Genom att använda en ny teknik där samarbetet staplar antiatomer som är resultatet av två på varandra följande blandningscykler, det är möjligt att fånga i genomsnitt 14 antiatomer per försök, jämfört med bara 1,2 med tidigare metoder. Genom att belysa de fångade atomerna med en laserstråle med en exakt avstämd frekvens, forskare kan observera strålens interaktion med antiväteets inre tillstånd. Mätningen gjordes genom att observera den så kallade 1S-2S-övergången. 2S-tillståndet i atomärt väte är långlivat, leder till en smal naturlig linjebredd, så den är särskilt lämplig för precisionsmätning.

Det nuvarande resultatet, tillsammans med de senaste gränserna för förhållandet mellan antiproton-elektronmassan som fastställts av ASACUSA-samarbetet, och antiprotonladdnings-till-massa-förhållandet bestäms av BASE-samarbetet, visa att tester av fundamentala symmetrier med antimateria vid CERN mognar snabbt.