Sejak keberadaan antimateri dicadangkan pada awal abad ke-20, para saintis berusaha untuk memahami bagaimana kaitannya dengan materi normal, dan mengapa ada ketidakseimbangan antara keduanya di Alam Semesta. Untuk melakukan ini, penyelidikan fizik zarah dalam beberapa dekad yang lalu telah memfokuskan pada anti-zarah atom paling asas dan berlimpah di Alam Semesta - zarah antihidrogen.
Sehingga baru-baru ini, ini sangat sukar, kerana saintis dapat menghasilkan antihidrogen, tetapi tidak dapat mempelajarinya lama sebelum ia dimusnahkan. Tetapi menurut kajian terbaru yang diterbitkan di Alam semula jadi, satu pasukan yang menggunakan eksperimen ALPHA dapat memperoleh maklumat spektrum pertama mengenai antihidrogen. Pencapaian ini, yang 20 tahun dalam pembuatannya, dapat membuka era baru penyelidikan antimateri.
Mengukur bagaimana elemen menyerap atau memancarkan cahaya - spektroskopi - adalah aspek utama fizik, kimia dan astronomi. Bukan hanya membolehkan saintis mencirikan atom dan molekul, ia juga membolehkan ahli astrofizik untuk menentukan komposisi bintang yang jauh dengan menganalisis spektrum cahaya yang dipancarkannya.
Pada masa lalu, banyak kajian telah dilakukan terhadap spektrum hidrogen, yang merupakan kira-kira 75% daripada semua jisim baryonic di Alam Semesta. Ini telah memainkan peranan penting dalam pemahaman kita mengenai jirim, tenaga, dan evolusi pelbagai bidang sains. Tetapi sehingga baru-baru ini, mengkaji spektrum anti-zarahnya sangat sukar.
Sebagai permulaan, ia memerlukan agar zarah-zarah yang membentuk antihidrogen - antiproton dan positron (anti-elektron) - ditangkap dan disejukkan sehingga boleh bersatu. Di samping itu, perlu untuk mengekalkan zarah-zarah ini cukup lama untuk memerhatikan tingkah laku mereka, sebelum tidak dapat dihindari melakukan kontak dengan bahan normal dan memusnahkan.
Nasib baik, teknologi telah berkembang dalam beberapa dekad terakhir ke titik di mana penyelidikan terhadap antimateri sekarang mungkin, sehingga memberi peluang kepada para saintis untuk membuat kesimpulan sama ada fizik di belakang antimateri sesuai dengan Model Piawai atau melampauinya. Sebagai pasukan penyelidikan CERN - yang diketuai oleh Dr. Ahmadi dari Jabatan Fizik di University of Liverpool - menunjukkan dalam kajian mereka:
"Model Piawai meramalkan bahawa seharusnya terdapat jumlah jirim dan antimateri yang sama di Alam Semesta purba selepas Big Bang, tetapi Alam Semesta hari ini diperhatikan terdiri hampir keseluruhan dari bahan biasa. Ini memotivasi ahli fizik untuk mempelajari antimateri dengan teliti, untuk melihat apakah ada asimetri kecil dalam undang-undang fizik yang mengatur dua jenis jirim. "
Bermula pada tahun 1996, penyelidikan ini dilakukan menggunakan eksperimen AnTiHydrogEN Apparatus (ATHENA), yang merupakan sebahagian daripada kemudahan CERN Antiproton Decelerator. Eksperimen ini bertanggungjawab untuk menangkap antiproton dan positron, kemudian menyejukkannya ke titik di mana mereka dapat bergabung untuk membentuk anithrogen. Sejak tahun 2005, tugas ini menjadi tanggungjawab pengganti ATHENA, percubaan ALPHA.
Dengan menggunakan instrumen yang dikemas kini, ALPHA menangkap atom antihidrogen neutral dan menahannya untuk jangka masa yang lebih lama sebelum tidak dapat dimusnahkan. Selama ini, pasukan penyelidik melakukan analisis spektrografi menggunakan laser ultraviolet ALPHA untuk melihat apakah atom mematuhi undang-undang yang sama dengan atom hidrogen. Seperti yang dijelaskan oleh Jeffrey Hangst, jurucakap kerjasama ALPHA dalam kemas kini CERN:
"Menggunakan laser untuk mengamati peralihan antihidrogen dan membandingkannya dengan hidrogen untuk melihat apakah mereka mematuhi undang-undang fizik yang sama selalu menjadi tujuan utama penyelidikan antimateri. Memindahkan dan memerangkap antiproton atau positron adalah mudah kerana ia adalah zarah yang dikenakan. Tetapi apabila anda menggabungkan keduanya, anda mendapat antihidrogen neutral, yang jauh lebih sukar untuk dijebak, jadi kami telah merancang perangkap magnet yang sangat istimewa yang bergantung pada kenyataan bahawa antihidrogen sedikit magnetik. "
Dengan demikian, pasukan penyelidik dapat mengukur frekuensi cahaya yang diperlukan untuk menyebabkan positron beralih dari tahap tenaga terendah ke tahap berikutnya. Apa yang mereka dapati adalah bahawa (dalam had eksperimen) tidak ada perbezaan antara data spektrum antihidrogen dan data hidrogen. Hasil ini adalah eksperimen pertama, kerana ini adalah pemerhatian spektral pertama yang dibuat dari atom antihidrogen.
Selain memungkinkan untuk membuat perbandingan antara bahan dan antimateri untuk pertama kalinya, hasil ini menunjukkan bahawa tingkah laku antimateri - berbanding dengan ciri spektrografinya - sesuai dengan Model Piawai. Secara khusus, mereka sesuai dengan apa yang dikenali sebagai simetri Charge-Parity-Time (CPT).
Teori simetri ini, yang merupakan asas bagi fizik yang mapan, meramalkan bahawa tahap tenaga dalam jirim dan antimateri akan sama. Seperti yang dijelaskan oleh pasukan dalam kajian mereka:
"Kami telah melakukan pengukuran spektroskopi laser pertama pada atom antimateri. Ini telah lama dicari dalam fizik antimateri tenaga rendah. Ini menandakan titik perubahan dari eksperimen bukti prinsip kepada perbandingan metrologi dan CPT yang tepat menggunakan spektrum optik anti-atom. Hasil semasa ... menunjukkan bahawa ujian simetri asas dengan antimateri pada AD semakin cepat. "
Dengan kata lain, pengesahan bahawa jirim dan antimateri mempunyai ciri spektral yang serupa adalah satu lagi petunjuk bahawa Model Piawai bertahan - sama seperti penemuan Higgs Boson pada tahun 2012. Ia juga menunjukkan keberkesanan eksperimen ALPHA dalam memerangkap zarah antimateri, yang akan memberi manfaat kepada eksperimen antihidrogen yang lain.
Secara semula jadi, para penyelidik CERN sangat gembira dengan penemuan ini, dan diharapkan akan mempunyai implikasi yang drastik. Selain menawarkan cara baru untuk menguji Model Piawai, diharapkan juga dapat membantu para saintis untuk memahami mengapa ada ketidakseimbangan materi-antimateri di Alam Semesta. Satu lagi langkah penting untuk mengetahui dengan tepat bagaimana Alam Semesta seperti yang kita tahu wujud.
