Em um artigo publicado hoje na revista Natureza , a colaboração ALPHA relata a primeira medição no espectro óptico de um átomo de antimatéria. Essa conquista apresenta desenvolvimentos tecnológicos que abrem uma era completamente nova na pesquisa de antimatéria de alta precisão. É o resultado de mais de 20 anos de trabalho da comunidade de antimatéria do CERN.

"Usar um laser para observar uma transição no anti-hidrogênio e compará-lo ao hidrogênio para ver se eles obedecem às mesmas leis da física sempre foi um objetivo fundamental da pesquisa de antimatéria, "disse Jeffrey Hangst, Porta-voz da colaboração ALPHA.

Os átomos consistem em elétrons orbitando um núcleo. Quando os elétrons se movem de uma órbita para outra, eles absorvem ou emitem luz em comprimentos de onda específicos, formando o espectro do átomo. Cada elemento possui um espectro único. Como resultado, espectroscopia é uma ferramenta comumente usada em muitas áreas da física, astronomia e química. Ajuda a caracterizar átomos e moléculas e seus estados internos. Por exemplo, em astrofísica, analisar o espectro de luz de estrelas remotas permite que os cientistas determinem sua composição.

Com seu único próton e único elétron, o hidrogênio é o mais abundante, átomo simples e bem compreendido no Universo. Seu espectro foi medido com uma precisão muito alta. Átomos de anti-hidrogênio, por outro lado, são mal compreendidos. Porque o universo parece consistir inteiramente de matéria, os constituintes dos átomos de anti-hidrogênio - antiprótons e pósitrons - devem ser produzidos e montados em átomos antes que o espectro do anti-hidrogênio possa ser medido. É um processo meticuloso, mas vale a pena o esforço, uma vez que qualquer diferença mensurável entre os espectros de hidrogênio e anti-hidrogênio quebraria os princípios básicos da física e possivelmente ajudaria a entender o quebra-cabeça do desequilíbrio matéria-antimatéria no universo.

O resultado ALPHA de hoje é a primeira observação de uma linha espectral em um átomo de anti-hidrogênio, permitindo que o espectro de luz da matéria e da antimatéria seja comparado pela primeira vez. Dentro dos limites experimentais, o resultado não mostra nenhuma diferença em comparação com a linha espectral equivalente em hidrogênio. Isso é consistente com o modelo padrão da física de partículas, a teoria que melhor descreve as partículas e as forças em ação entre elas, que prevê que o hidrogênio e o anti-hidrogênio devem ter características espectroscópicas idênticas.

A colaboração ALPHA espera melhorar a precisão de suas medições no futuro. Medir o espectro do anti-hidrogênio com alta precisão oferece uma ferramenta extraordinária para testar se a matéria se comporta de maneira diferente da antimatéria e, portanto, para testar ainda mais a robustez do Modelo Padrão.

ALPHA é um experimento único nas instalações do Antiproton Decelerator do CERN, capaz de produzir átomos de anti-hidrogênio e mantê-los em uma armadilha magnética especialmente projetada, manipulando os anti-átomos alguns de cada vez. A captura de átomos de anti-hidrogênio permite que eles sejam estudados usando lasers ou outras fontes de radiação.

"Mover e capturar antiprótons ou pósitrons é fácil porque eles são partículas carregadas, "disse Hangst." Mas quando você combina os dois, obtém anti-hidrogênio neutro, que é muito mais difícil de capturar, portanto, projetamos uma armadilha magnética muito especial que se baseia no fato de que o anti-hidrogênio é um pouco magnético. "

O anti-hidrogênio é feito pela mistura de plasmas de cerca de 90, 000 antiprótons do desacelerador de antiprótons com pósitrons, resultando na produção de cerca de 25, 000 átomos de anti-hidrogênio por tentativa. Os átomos de anti-hidrogênio podem ficar presos se estiverem se movendo devagar o suficiente ao serem criados. Usando uma nova técnica em que a colaboração empilha anti-átomos resultantes de dois ciclos sucessivos de mistura, é possível capturar em média 14 anti-átomos por ensaio, em comparação com apenas 1,2 com métodos anteriores. Ao iluminar os átomos presos com um feixe de laser em uma frequência precisamente sintonizada, os cientistas podem observar a interação do feixe com os estados internos do anti-hidrogênio. A medição foi feita observando a chamada transição 1S-2S. O estado 2S no hidrogênio atômico é de longa duração, levando a uma largura de linha natural estreita, por isso é particularmente adequado para medições de precisão.

O resultado atual, juntamente com os limites recentes da razão da massa do elétron-antipróton estabelecido pela colaboração ASACUSA, e razão carga-massa de antipróton determinada pela colaboração BASE, demonstram que os testes de simetrias fundamentais com antimatéria no CERN estão amadurecendo rapidamente.