Fizičari po prvi put registrovali spektar zračenja antimaterije

Izvor: Departman za fiziku PMF u Nišu / Nikola Filipović

Nakon pune dve decenije neuspelih pokušaja da detektuju svetlosne talase koje emituje “antiatom” (atom sačinjen od antimaterije), fizičari u CERN-u su saopštili da su konačno uspeli u ovoj nameri. Oni su, u radu objavljenom u časopisu Nature, pokazali da se antivodonik ponaša kao potpuno pravilan “odraz u ogledalu” običnog atoma vodonika.

Ovaj izuzetno važan rezultat, koji predstavlja potvrdu onoga što su zakoni fizike odavno predvideli, otvara potpuno nov način provere Ajnštajnove Specijalne teorije relativnosti. Pored toga, ovo otkriće nam može pomoći da nađemo odgovor na jednu od najvećih misterija moderne fizike – zašto u Svemiru ima mnogo više materije od antimaterije?

“Ovo predstavlja istorijski trenutak u višedecenijskim pokušajima da se stvori antimaterija, i da se njena svojstva uporede sa svojstvima materije”, izjavio je Alan Kostelecki, teorijski fizičar sa Univerziteta u Indijani, koji nije uzeo učešće u istraživanju.

Za sve one koji nisu upoznati sa celim ovim “Gde je sva ta antimaterija?” problemom koji muči brojne fizičare, evo par osnovnih informacija.

Zakoni fizike predviđaju da svaka čestica obične materije ima svog parnjaka – odgovarajuću antičesticu. Tako, na primer, elektronu, koji je negativno naelektrisan, odgovara pozivitno naelektrisana antičestica – pozitron.

To znači da za svaki (običan) atom vodonika postoji atom antivodonika, koji je sačinjen od antielektrona (tj. pozitrona) koji kruži oko antiprotona, na sličan način kao što u atomu vodonika elektron kruži oko protona.

Ukoliko se desi da se čestica obične materije sretne sa svojom antičesticom, one će istog trenutka nestati, odnosno “poništiti” (anihilirati) jedna drugu, pri čemu se oslobađa izvesna količina energije u formi svetlosti.

Ova činjenica stvara dva izuzetno ozbiljna problema. Prvi je taj što u Svemiru postoji ogromna količina obične materije, koja vrlo brzo anihilira ono malo antimaterije u njemu, pa je fizičarima izuzetno teško da uopšte ustanove prisustvo antimaterije u prirodi.

Drugi problem je već postavljeno pitanje koje se tiče činjenice da u Svemiru ima mnogo više materije u odnosu na antimateriju. Ukoliko današnji fizički modeli previđaju da je iz Velikog praska nastala jednaka količina čestica i antičestica, zar ne bi trebalo da bukvalno sve u Svemiru poništi samo sebe?

“Nešto se desilo, neka mala asimetrija koja je dovela do toga da obična materija ‘preživi’, i mi jednostavno nemamo dovoljno dobru ideju koja bi to u ovom trenutku mogla objasniti”, izjavio je Džefri Hangst, jedan od članova tima ALPHA eksperimenta u CERN-u u Švajcarskoj.

Sve ovo se, međutim, lako može promeniti sada kada su, po prvi put, naučnici u stanju da izmere karakteristike svetlosti koju emituje atom antivodonika nakon što se on podvrgne dejstvu lasera, i uporede ih sa onima dobijenim za običan atom vodonika.

Ovo možda ne izgleda kao neko veliko dostignuće, ali treba imati u vidu da je ovo prvi put da je moguće kontrolisati atom antivodonika dovoljno dugo da možemo direktno meriti njegovo ponašanje i rezultate uporediti sa njegovim “običnim” parnjakom.

“Korišćenje lasera u svrhu posmatranja elektromagnetnog prelaza u antivodoniku, kao i upoređivanje sa vodonikom kako bi se ustanovilo da li se pokoravaju istim zakonima fizike, oduvek je predstavljalo ključni cilj istraživanja antimaterije”, dodao je Hangst.

Budući da je nemoguće naći česticu antivodonika u prirodi – vodonik, kao najzastupljeniji element u Svemiru vrlo lako “poništi” malobrojne lutajuće atome antivodonika – naučnici su bili prinuđeni da kreiraju sopstvene atome antivodonika.

Već dvadeset godina unazad, ALPHA tim pokušava da nađe način da stvori dovoljno atoma antivodonika kako bi uopšte mogao sa njima da radi. Tehnika koja je napokon to uspela omogućava im stvaranje oko 25 000 atoma antivodonika svakih 15 minuta, a od kojih svega oko 14 njih biva zarobljeno, tako da ih je moguće ispitivati. Prethodni metodi su, radi poređenja, mogli da zarobe najviše 1,2 atoma antivodonika u 15 minuta.

Ovako zarobljene čestice bi onda bivale izložene laserskoj svetlosti, koja prouzrokuje da njihovi pozitroni ‘skaču’ sa nižeg na nivo sa višom energijom. Kako se pozitroni nedugo potom vraćaju u niže energijsko stanje, to je moguće izmeriti količinu svetlosti koja se na taj način emituje.

Tim istraživača došao je do zaključka da atom vodonika emituje potpuno identičan spektar elektromagnetnog zračenja kao i običan atom vodonika koji je prethodno podvrgnut identičnim uslovima.

“Dugo se mislilo da antimaterija nije ništa drugo do potpuno pravilan ‘odraz u ogledalu’ materije, i konačno smo sakupili dokaze da to i potvrdimo”, rekao je Tim Tarp, takođe član ALPHA tima iz CERN-a.

Dobijeni rezultat je u potpunoj saglasnosti sa Standardnim Modelom fizike elementarnih čestica, koji predviđa da vodonik i antivodonik imaju potpuno identične karakteristike emitovane svetlosti. Pored toga, fizičari imaju priliku da testiraju i druge emisione spektre korišćenjem različitih tipova lasera.

Ukoliko svi eksperimenti pokažu da se spektri zračenja materije i antimaterije ne razlikuju, ovo otkriće bi produžilo život Ajnštajnovoj Specijalnoj teoriji relativnosti, kako za Nature objašnjava Adrijan Čo:

“Egzaktno pokazivanje zašto Specijalna teorija relativnosti zahteva da antimaterija potpuno preslikava materiju zahteva mnogo matematike. Ukratko, ukoliko ova veza nije potpuno ‘kao u ogledalu’, onda ni osnovna ideja specijalne relativnosti ne može biti potpuno ispravna.

Specijalna teorija relativnosti pretpostavlja da se jedinstvena stvar nazvana prostor-vreme drukčije razdvaja na prostor i vreme za različite posmatrače koji se kreću jedan u odnosu na drugog. Ona tvrdi da nijedan posmatrač ne može reći ko se od njih zaista kreće, a ko miruje. Međutim, ovo ne može biti potpuno tačno ukoliko materija i antimaterija nisu jedna drugoj kao ‘odraz u ogledalu’.”

Ukoliko, pak, materija i antimaterija nisu jedna drugoj ‘odraz u ogledalu’, tj. ako se antimaterija ne pokorava istim zakonima fizike kao i obična materija, naši modeli Velikog praska pokazali bi se pogrešnim.

Ova činjenica naterala bi nas da ponovo razmislimo i pokušamo da ustanovimo jednom za svagda zašto je materija uspela da ‘pobegne’ totalnoj anihilaciji u Svemiru, što je dovelo do toga da sve oko nas, a takođe i mi sami, uopšte postojimo.

Iako smo dosta daleko od donošenja bilo kakvih konačnih zaključaka o ovom pitanju, bez sumnje se može reći da je ovaj eksperiment otvorio vrata jako zanimljivim i potencijalno revolucionarnim idejama i mogućnostima.

“Jako smo ushićeni što napokon možemo da kažemo da smo uradili ovo”, podvukao je Hangst. “Za nas, ovo je jako bitna stvar.”

Originalnu verziju ovog teksta na engleskom jeziku možete pročitati OVDE.