Sejak keberadaan antimateri diusulkan pada awal abad ke-20, para ilmuwan telah berusaha memahami bagaimana kaitannya dengan materi normal, dan mengapa ada ketidakseimbangan yang jelas antara keduanya di Semesta. Untuk melakukan ini, penelitian fisika partikel dalam beberapa dekade terakhir telah berfokus pada anti-partikel dari atom yang paling dasar dan melimpah di Semesta - partikel antihidrogen.
Sampai saat ini, ini sangat sulit, karena para ilmuwan telah mampu menghasilkan antihidrogen, tetapi tidak dapat mempelajarinya jauh sebelum dihancurkan. Tetapi menurut baru-baru ini sebuah penelitian yang diterbitkan di Alam, sebuah tim yang menggunakan percobaan ALPHA dapat memperoleh informasi spektral pertama tentang antihidrogen. Pencapaian ini, yang 20 tahun dalam pembuatannya, dapat membuka era penelitian antimateri yang sepenuhnya baru.
Mengukur bagaimana elemen menyerap atau memancarkan cahaya - yaitu spektroskopi - adalah aspek utama dari fisika, kimia, dan astronomi. Tidak hanya memungkinkan para ilmuwan untuk mengkarakterisasi atom dan molekul, tetapi juga memungkinkan para ahli astrofisika untuk menentukan komposisi bintang yang jauh dengan menganalisis spektrum cahaya yang dipancarkannya.
Di masa lalu, banyak penelitian telah dilakukan ke dalam spektrum hidrogen, yang merupakan sekitar 75% dari semua massa baryonic di alam semesta. Ini telah memainkan peran penting dalam pemahaman kita tentang materi, energi, dan evolusi berbagai disiplin ilmu. Namun hingga saat ini, mempelajari spektrum anti-partikelnya sangat sulit.
Sebagai permulaan, diperlukan bahwa partikel-partikel yang membentuk antihidrogen - antiproton dan positron (anti-elektron) - ditangkap dan didinginkan sehingga mereka dapat bergabung. Selain itu, perlu untuk mempertahankan partikel-partikel ini cukup lama untuk mengamati perilaku mereka, sebelum mereka tak terhindarkan melakukan kontak dengan materi normal dan memusnahkan.
Untungnya, teknologi telah berkembang dalam beberapa dekade terakhir ke titik di mana penelitian tentang antimateri sekarang mungkin, sehingga memberi para ilmuwan kesempatan untuk menyimpulkan apakah fisika di balik antimateri konsisten dengan Model Standar atau melangkah lebih jauh darinya. Sebagai tim peneliti CERN - yang dipimpin oleh Dr. Ahmadi dari Departemen Fisika di University of Liverpool - ditunjukkan dalam penelitian mereka:
“Model Standar memprediksi bahwa seharusnya ada jumlah materi dan antimateri yang sama di Semesta purba setelah Big Bang, tetapi Alam Semesta saat ini diamati hampir seluruhnya terdiri dari materi biasa. Ini memotivasi fisikawan untuk mempelajari antimateri dengan hati-hati, untuk melihat apakah ada sedikit asimetri dalam hukum fisika yang mengatur dua jenis materi. ”
Mulai tahun 1996, penelitian ini dilakukan dengan menggunakan percobaan AnTiHydrogEN Apparatus (ATHENA), bagian dari fasilitas CERN Antiproton Decelerator. Eksperimen ini bertanggung jawab untuk menangkap antiproton dan positron, kemudian mendinginkannya ke titik di mana mereka dapat bergabung membentuk anithydrogen. Sejak 2005, tugas ini telah menjadi tanggung jawab penerus ATHENA, percobaan ALPHA.
Dengan menggunakan instrumen yang diperbarui, ALPHA menangkap atom-atom antihidrogen netral dan menahannya untuk jangka waktu yang lebih lama sebelum mereka dapat dimusnahkan. Selama waktu ini, tim peneliti melakukan analisis spektografik menggunakan laser ultraviolet ALPHA untuk melihat apakah atom mematuhi hukum yang sama dengan atom hidrogen. Sebagaimana Jeffrey Hangst, juru bicara kolaborasi ALPHA, menjelaskan dalam pembaruan CERN:
"Menggunakan laser untuk mengamati transisi dalam antihidrogen dan membandingkannya dengan hidrogen untuk melihat apakah mereka mematuhi hukum fisika yang sama selalu menjadi tujuan utama penelitian antimateri ... Memindahkan dan menjebak antiproton atau positron adalah mudah karena mereka bermuatan partikel. Tetapi ketika Anda menggabungkan keduanya, Anda mendapatkan antihidrogen netral, yang jauh lebih sulit untuk dijebak, jadi kami telah merancang jebakan magnetik yang sangat istimewa yang bergantung pada fakta bahwa antihidrogen sedikit magnetik. "
Dengan demikian, tim peneliti dapat mengukur frekuensi cahaya yang diperlukan untuk menyebabkan positron beralih dari tingkat energi terendah ke tingkat berikutnya. Apa yang mereka temukan adalah bahwa (dalam batas percobaan) tidak ada perbedaan antara data spektral antihidrogen dan hidrogen. Hasil ini adalah percobaan pertama, karena mereka adalah pengamatan spektral pertama yang pernah dibuat dari atom antihidrogen.
Selain memungkinkan untuk membandingkan antara materi dan antimateri untuk pertama kalinya, hasil ini menunjukkan bahwa perilaku antimateri - vis a vis karakteristik spektografiknya - konsisten dengan Model Standar. Secara khusus, mereka konsisten dengan apa yang dikenal sebagai simetri Charge-Parity-Time (CPT).
Teori simetri ini, yang merupakan dasar bagi fisika yang mapan, memprediksi bahwa tingkat energi dalam materi dan antimateri akan sama. Seperti yang dijelaskan tim dalam studi mereka:
“Kami telah melakukan pengukuran spektroskopi laser pertama pada atom antimateri. Ini telah lama menjadi pencapaian yang dicari dalam fisika antimateri berenergi rendah. Ini menandai titik balik dari percobaan pembuktian prinsip menjadi metrologi serius dan perbandingan CPT presisi menggunakan spektrum optik anti-atom. Hasil saat ini ... menunjukkan bahwa tes simetri mendasar dengan antimateri di AD sudah matang dengan cepat. "
Dengan kata lain, konfirmasi bahwa materi dan antimateri memiliki karakteristik spektral yang serupa adalah indikasi lain bahwa Model Standar bertahan - sama seperti penemuan Higgs Boson pada 2012. Ini juga menunjukkan efektivitas percobaan ALPHA dalam menjebak partikel antimateri, yang akan bermanfaat bagi eksperimen antihidrogen lainnya.
Secara alami, para peneliti CERN sangat senang dengan temuan ini, dan diharapkan memiliki implikasi yang drastis. Selain menawarkan cara baru untuk menguji Model Standar, model ini juga diharapkan akan membantu para ilmuwan untuk memahami mengapa ada ketidakseimbangan antimateri materi di Semesta. Namun langkah penting lainnya dalam menemukan dengan tepat bagaimana Semesta seperti yang kita kenal sekarang muncul.
