במחצית הראשונה של המאה העשרים גילו מדענים תופעה מרתקת: לסוגים השונים של חלקיקים ביקום יש ״תאומים״ שנקראים אנטי-חלקיקים. תאומו של חלקיק הפרוטון, למשל, ידוע כאנטי-פרוטון. החלקיק והאנטי-חלקיק זהים בכל תכונותיהם, עם הבדל משמעותי אחד: לאנטי-חלקיק מטען חשמלי הפוך לזה של החלקיק התאום שלו. מחקר חדש שהתפרסם ביום שני בכתב העת היוקרתי Nature מהווה פריצת דרך ביכולת לחקור את אותם אנטי-חלקיקים אקזוטיים: חוקרי קבוצת ALPHA, שבמרכז המחקר CERN בשוויץ, הצליחו לראשונה למדוד את ספקטרום האור של אטום אנטי-חומר.
קשה לחקור אטומים של אנטי-חומר מכיוון שהם לא יציבים ולפיכך נדירים ביותר. לא תמצאו אותם ברחוב בדרך למכולת. הסיבה לכך היא שכאשר אטום של חומר רגיל נפגש עם אנטי-חומר, הם משמידים זה את זה ומשחררים כמות גדולה יחסית של אנרגיה. וכאן מתעוררת בעיה מרכזית בקוסמולוגיה: לפני המודלים המקובלים, מיד לאחר המפץ הגדול היתה אמורה להיווצר כמות שווה של חומר ושל אנטי-חומר. אבל אם זה היה המקרה, אז איך זה שאיננו מגלים אנטי-חומר בטבע? ויותר מכך, איך קיים בכלל חומר ביקום; אם אכן היה איזון בינו לבין אנטי-חומר, הכל אמור היה להתאיין מבראשית ולהפוך חזרה לאנרגיה. האם משמעות הדבר היא שמלכתחילה היה יותר חומר מאשר אנטי-חומר ביקום המוקדם, ואם כן, איך זה קרה? לחקירה והבנת האנטי-חומר יש השלכות, אם כן, על הפיזיקה והקוסמולוגיה העכשווית.
כדי לחקור אטומים של אנטי-חלקיקים, חוקרים מייצרים אותם בתנאי מעבדה מתקדמים ביותר. האנטי-חלקיקים מבודדים ממגע עם חומר רגיל, שעשוי לגרום לאיונם, באמצעות מלכודת מגנטית העושה שימוש בטכניקות חדשניות שפותחו רק בשנים האחרונות.
המאמר שפרסמה השבוע קבוצת ALPHA מציג פריצת דרך בחקר האנטי-חומר: חוקרי קבוצת המחקר הצליחו למדוד לראשונה את את הספקטרום של אטום אנטי-חומר, וליתר דיוק – אנטי-מימן. הדבר איפשר להם להשוות לראשונה את הספקטרום הייחודי של אטום מימן רגיל עם זו של אנטי-מימן.
ALPHA.jpg
כל חומר ביקום מחזיר או בולע אור בהתאם למאפיינים הכימיים הייחודיים לו. כך מאפיינים אסטרופיזיקאים את ההרכב הכימי של כוכבים רחוקים. עד כה לא ניתן היה לבחון את הספקטרום של אנטי-חלקיקים מכל סוג שהוא. מסיבה זו, בעוד ספקטרום הפליטה והבליעה של אטום המימן מוכר היטב למדענים, לא כך הדבר עם הספקטרום של האנטי-מימן. החוקרים מקבוצת ALPHA היו מעוניינים לבדוק את הספקטרום של אטום אנטי-מימן כדי ללמוד, בין היתר, אם יש הבדלים נוספים ובלתי מוכרים בין חלקיקים לאנטי-חלקיקים, ובדרך לשפוך אור על חידת חוסר האיזון בין כמות החומר והאנטי-חומר ביקום. במחקר התברר שבכל הנוגע לספקטרום, אין כל הבדל: הספקטרום זהה.
אבל המחקר האחרון רחוק מלהיות סוף פסוק. החוקרים פועלים לשפר את טכניקות המדידה של הספקטרום כדי לאפשר בעתיד השוואות מדויקות יותר בין חלקיקי מימן ואנטי-מימן. דובר קבוצת המחקר ALPHA, ג׳פרי האנגסט, אומר כי ההשוואה בין הספקטרום של אטומי מימן ואנטי-מימן שמטרתה לבדוק אם הם פועלים לפי אותם חוקי הפיזיקה ״תמיד הייתה יעד מרכזי של חקר אנטי-חומר״.