Kể từ khi sự tồn tại của phản vật chất được đề xuất vào đầu thế kỷ 20, các nhà khoa học đã tìm cách hiểu làm thế nào liên quan đến vật chất bình thường và tại sao có sự mất cân bằng rõ ràng giữa hai thứ trong Vũ trụ. Để làm điều này, nghiên cứu vật lý hạt trong vài thập kỷ qua đã tập trung vào khả năng chống hạt của nguyên tử cơ bản và phong phú nhất trong Vũ trụ - hạt chống hydro.
Cho đến gần đây, điều này rất khó khăn, vì các nhà khoa học đã có thể sản xuất chất chống oxy hóa, nhưng không thể nghiên cứu nó trong thời gian dài trước khi nó bị tiêu diệt. Nhưng theo một nghiên cứu gần đây đã được công bố trong Thiên nhiên, một nhóm sử dụng thí nghiệm ALPHA đã có thể thu được thông tin phổ đầu tiên về chất chống oxy hóa. Thành tựu này, sau 20 năm hình thành, có thể mở ra một kỷ nguyên nghiên cứu hoàn toàn mới về phản vật chất.
Đo lường cách các yếu tố hấp thụ hoặc phát ra ánh sáng - tức là quang phổ - là một khía cạnh chính của vật lý, hóa học và thiên văn học. Nó không chỉ cho phép các nhà khoa học mô tả các nguyên tử và phân tử, nó cho phép các nhà vật lý thiên văn xác định thành phần của các ngôi sao xa xôi bằng cách phân tích quang phổ của ánh sáng mà chúng phát ra.
Trong quá khứ, nhiều nghiên cứu đã được tiến hành trong phổ của hydro, chiếm khoảng 75% tổng khối lượng baryonic trong Vũ trụ. Những điều này đã đóng một vai trò quan trọng trong sự hiểu biết của chúng ta về vật chất, năng lượng và sự phát triển của nhiều ngành khoa học. Nhưng cho đến gần đây, việc nghiên cứu phổ chống hạt của nó là vô cùng khó khăn.
Để bắt đầu, nó đòi hỏi các hạt cấu thành chất chống hydro - phản proton và positron (chống electron) - phải được thu giữ và làm mát để chúng có thể kết hợp với nhau. Ngoài ra, sau đó cần phải duy trì các hạt này đủ lâu để quan sát hành vi của chúng, trước khi chúng không thể tiếp xúc với vật chất bình thường và hủy diệt.
May mắn thay, công nghệ đã phát triển trong vài thập kỷ qua đến mức có thể nghiên cứu phản vật chất, do đó, các nhà khoa học có cơ hội suy luận liệu vật lý đằng sau phản vật chất có phù hợp với Mô hình Chuẩn hay vượt xa nó. Như nhóm nghiên cứu Cern - được lãnh đạo bởi Tiến sĩ Ahmadi thuộc Khoa Vật lý tại Đại học Liverpool - đã chỉ ra trong nghiên cứu của họ:
Mô hình chuẩn dự đoán rằng lẽ ra phải có một lượng vật chất và phản vật chất tương đương trong Vũ trụ nguyên thủy sau Vụ nổ lớn, nhưng ngày nay Vũ trụ được quan sát thấy bao gồm gần như hoàn toàn vật chất thông thường. Điều này thúc đẩy các nhà vật lý nghiên cứu kỹ lưỡng phản vật chất, để xem liệu có sự bất cân xứng nhỏ trong các định luật vật lý chi phối hai loại vật chất hay không.
Bắt đầu từ năm 1996, nghiên cứu này được thực hiện bằng thí nghiệm AnTiHydrogEN Bộ máy (ATHENA), một phần của cơ sở Giảm tốc Antiproton Cern. Thí nghiệm này chịu trách nhiệm bắt các phản proton và positron, sau đó làm lạnh chúng đến điểm mà chúng có thể kết hợp để tạo thành anithydrogen. Từ năm 2005, nhiệm vụ này đã trở thành trách nhiệm của người kế nhiệm ATHENA, thí nghiệm ALPHA.
Sử dụng các công cụ cập nhật, ALPHA thu giữ các nguyên tử chống hydro trung tính và giữ chúng trong thời gian dài hơn trước khi chúng chắc chắn bị tiêu diệt Trong thời gian này, các nhóm nghiên cứu tiến hành phân tích quang phổ bằng laser cực tím ALPHA để xem liệu các nguyên tử đó có tuân theo quy luật tương tự như nguyên tử hydro hay không. Như Jeffrey Hangst, người phát ngôn của sự hợp tác ALPHA, đã giải thích trong bản cập nhật Cern:
Sử dụng tia laser để quan sát sự chuyển đổi trong chất chống hydro và so sánh nó với hydro để xem liệu chúng có tuân theo các định luật vật lý tương tự luôn là mục tiêu chính của nghiên cứu phản vật chất hay không, vì di chuyển và bẫy các phản proton hoặc positron là dễ dàng vì chúng là các hạt tích điện. Nhưng khi bạn kết hợp cả hai bạn sẽ có được chất chống oxy hóa trung tính, khó bẫy hơn rất nhiều, vì vậy chúng tôi đã thiết kế một loại bẫy từ tính rất đặc biệt dựa trên thực tế là chất chống oxy hóa có một chút từ tính.
Khi làm như vậy, nhóm nghiên cứu đã có thể đo tần số ánh sáng cần thiết để khiến positron chuyển từ mức năng lượng thấp nhất sang mức tiếp theo. Những gì họ tìm thấy là (trong giới hạn thí nghiệm) không có sự khác biệt giữa dữ liệu phổ chống hydro và hydro. Những kết quả này là một thử nghiệm đầu tiên, vì chúng là những quan sát quang phổ đầu tiên được tạo ra từ một nguyên tử chống hydro.
Bên cạnh việc cho phép so sánh giữa vật chất và phản vật chất lần đầu tiên, những kết quả này cho thấy hành vi phản vật chất - nhìn thấy các đặc điểm quang phổ của nó - phù hợp với Mô hình Chuẩn. Cụ thể, chúng phù hợp với tính đối xứng được gọi là đối xứng Charge-Parity-Time (CPT).
Lý thuyết đối xứng này, là nền tảng cho vật lý đã được thiết lập, dự đoán rằng mức năng lượng trong vật chất và phản vật chất sẽ giống nhau. Như nhóm đã giải thích trong nghiên cứu của họ:
Chúng tôi đã thực hiện phép đo phổ laser đầu tiên trên một nguyên tử phản vật chất. Điều này từ lâu đã là một thành tựu được tìm kiếm trong vật lý phản vật chất năng lượng thấp. Nó đánh dấu một bước ngoặt từ các thí nghiệm chứng minh nguyên lý đến đo lường nghiêm trọng và so sánh CPT chính xác bằng cách sử dụng phổ quang học của một nguyên tử chống. Kết quả hiện tại đã chứng minh rằng các thử nghiệm đối xứng cơ bản với phản vật chất tại AD đang trưởng thành nhanh chóng.
Nói cách khác, sự xác nhận rằng vật chất và phản vật chất có đặc điểm quang phổ tương tự là một dấu hiệu khác cho thấy Mô hình Chuẩn giữ vững - giống như việc phát hiện ra Higgs Boson năm 2012 đã làm. Nó cũng chứng minh tính hiệu quả của thí nghiệm ALPHA trong việc bẫy các hạt phản vật chất, sẽ mang lại lợi ích cho các thí nghiệm chống hydro khác.
Đương nhiên, các nhà nghiên cứu của Cern đã rất phấn khích với phát hiện này và dự kiến sẽ có những tác động mạnh mẽ. Ngoài việc cung cấp một phương tiện mới để thử nghiệm Mô hình Chuẩn, nó cũng dự kiến sẽ đi một chặng đường dài hướng tới việc giúp các nhà khoa học hiểu tại sao có sự mất cân bằng vật chất phản vật chất trong Vũ trụ. Tuy nhiên, một bước quan trọng khác trong việc khám phá chính xác Vũ trụ như chúng ta biết nó đã đến như thế nào.
