In un articolo pubblicato oggi sulla rivista Natura , la collaborazione ALPHA riporta la prima misurazione in assoluto sullo spettro ottico di un atomo di antimateria. Questo risultato è caratterizzato da sviluppi tecnologici che aprono un'era completamente nuova nella ricerca sull'antimateria ad alta precisione. È il risultato di oltre 20 anni di lavoro della comunità dell'antimateria del CERN.

"Usare un laser per osservare una transizione nell'antiidrogeno e confrontarlo con l'idrogeno per vedere se obbediscono alle stesse leggi della fisica è sempre stato un obiettivo chiave della ricerca sull'antimateria, "ha detto Jeffrey Hangst, Portavoce della collaborazione ALPHA.

Gli atomi sono costituiti da elettroni che orbitano attorno a un nucleo. Quando gli elettroni si spostano da un'orbita all'altra assorbono o emettono luce a lunghezze d'onda specifiche, formando lo spettro dell'atomo. Ogni elemento ha uno spettro unico. Di conseguenza, la spettroscopia è uno strumento comunemente usato in molte aree della fisica, astronomia e chimica. Aiuta a caratterizzare atomi e molecole e i loro stati interni. Per esempio, in astrofisica, l'analisi dello spettro luminoso delle stelle remote consente agli scienziati di determinarne la composizione.

Con il suo singolo protone e il suo singolo elettrone, l'idrogeno è il più abbondante, atomo semplice e ben compreso nell'Universo. Il suo spettro è stato misurato con una precisione molto elevata. atomi di antiidrogeno, d'altra parte sono poco capiti. Poiché l'universo sembra consistere interamente di materia, i costituenti degli atomi di antiidrogeno – antiprotoni e positroni – devono essere prodotti e assemblati in atomi prima di poter misurare lo spettro antiidrogeno. È un processo scrupoloso, ma ne vale la pena poiché qualsiasi differenza misurabile tra gli spettri dell'idrogeno e dell'antiidrogeno infrangerebbe i principi di base della fisica e forse aiuterebbe a capire il puzzle dello squilibrio materia-antimateria nell'universo.

Il risultato ALPHA di oggi è la prima osservazione di una riga spettrale in un atomo di antiidrogeno, permettendo per la prima volta di confrontare lo spettro luminoso della materia e dell'antimateria. Entro limiti sperimentali, il risultato non mostra alcuna differenza rispetto alla riga spettrale equivalente in idrogeno. Ciò è coerente con il Modello Standard della fisica delle particelle, la teoria che meglio descrive le particelle e le forze che agiscono tra loro, che prevede che l'idrogeno e l'antiidrogeno dovrebbero avere caratteristiche spettroscopiche identiche.

La collaborazione ALPHA prevede di migliorare la precisione delle sue misurazioni in futuro. La misurazione dello spettro dell'antiidrogeno ad alta precisione offre un nuovo straordinario strumento per verificare se la materia si comporta in modo diverso dall'antimateria e quindi per testare ulteriormente la robustezza del Modello Standard.

ALPHA è un esperimento unico presso la struttura Antiproton Decelerator del CERN, in grado di produrre atomi di antiidrogeno e trattenerli in una trappola magnetica appositamente progettata, manipolando gli antiatomi pochi alla volta. L'intrappolamento degli atomi di antiidrogeno consente di studiarli utilizzando laser o altre sorgenti di radiazioni.

"Spostare e intrappolare antiprotoni o positroni è facile perché sono particelle cariche, " disse Hangst. "Ma quando combini i due ottieni antiidrogeno neutro, che è molto più difficile da intrappolare, quindi abbiamo progettato una trappola magnetica molto speciale che si basa sul fatto che l'antiidrogeno è un po' magnetico".

L'antiidrogeno viene prodotto mescolando plasmi di circa 90, 000 antiprotoni dal deceleratore di antiprotoni con positroni, con conseguente produzione di circa 25, 000 atomi di antiidrogeno per tentativo. Gli atomi di antiidrogeno possono essere intrappolati se si muovono abbastanza lentamente quando vengono creati. Utilizzando una nuova tecnica in cui la collaborazione impila gli anti-atomi risultanti da due successivi cicli di miscelazione, è possibile intrappolare in media 14 antiatomi per prova, rispetto a solo 1.2 con i metodi precedenti. Illuminando gli atomi intrappolati con un raggio laser a una frequenza sintonizzata con precisione, gli scienziati possono osservare l'interazione del raggio con gli stati interni dell'antiidrogeno. La misurazione è stata effettuata osservando la cosiddetta transizione 1S-2S. Lo stato 2S nell'idrogeno atomico è longevo, portando a una larghezza della linea naturale stretta, quindi è particolarmente adatto per misurazioni di precisione.

Il risultato attuale, insieme ai recenti limiti al rapporto della massa antiprotone-elettrone stabiliti dalla collaborazione ASACUSA, e rapporto carica-massa dell'antiprotone determinato dalla collaborazione BASE, dimostrano che i test delle simmetrie fondamentali con l'antimateria al CERN stanno maturando rapidamente.