לראות אנטי-חומר

חוקרים במרכז המחקר לאנטי-חומר בCERN- שבשווייץ מדדו לראשונה את ספקטרום האור של אנטי-מימן. וגילו שהוא זהה לזה של מימן. ההישג הוא תוצאה של למעלה מעשרים שנות מחקר בתחום.

במערכת הניסוי "אלפא" מדדו החוקרים את האור הנבלע באטום אנטי-מימן והראו שהוא זהה לזה שנבלע באטום מימן רגיל. התוצאה מאפשרת לבחון את תיאוריית היחסות הפרטית של אלברט איינשטיין ואת המודל הסטנדרטי של החלקיקים בצורה חדשה, כך שמדובר בפריצת דרך במחקר של אנטי-חומר. הצעד הזה מקדם אותנו בדרך לפתור את אחת התעלומות הגדולות בפיזיקה: מדוע יש ביקום הרבה יותר חומר רגיל מאשר אנטי-חומר?

לפי תיאוריית המפץ הגדול, היקום כולו היה מרוכז בתחילה בנקודה אחת והתפשט ממנה. בהתחלה הייתה כמות שווה של חומר ואנטי-חומר ביקום, אך בשלב מסוים האיזון ביניהם הופר וכיום כמעט שלא נותר אנטי-חומר.

חלקיקי אנטי-חומר הם חלקיקים שזהים במסה שלהם לחומר הרגיל מסביבנו (פרוטונים, אלקטרונים, ניטרונים וכו') אבל המטען החשמלי שלהם הפוך וכך גם עוד כמה תכונות קוונטיות. לכל חלקיק יש אנטי-חלקיק, וכאשר הם נפגשים הם מבטלים זה את זה והופכים לאנרגיה בצורות שונות. לאלקטרון, לדוגמה, יש מטען שלילי ולאנטי-אלקטרון (שנקרא גם פוזיטרון) יש מטען חשמלי חיובי בגודל זהה. כשהם נפגשים הם מתאיינים והופכים לשני פוטונים (חלקיקי אור).

אטום מימן הוא האטום הפשוט ביותר והוא מורכב מאלקטרון ומפרוטון, אטום אנטי-מימן מורכב מפוזיטרון ומאנטי-פרוטון. לפי המודל הסטנדרטי של החלקיקים, לשניהם אמורות להיות תכונות זהות מבחינה פיזיקלית וזה מה שבדקו החוקרים בניסוי באמצעות מדידה מדויקת של הספקטרום של אטום האנטי-מימן.

אנטי-אלקטון נע בצורת ספירלה (צד שמאל) שנוצר בהתנגשויות חלקיקים ב-CERN | מקור: Science Photo Library

הניסוי

ספקטרום הבליעה והפליטה של האור מאטום המימן הוא אחת הבעיות המקוריות שהובילו להתפתחות תורת הקוונטים בתחילת המאה ה-20. לפי תורת הקוונטים, האלקטרון נע מסביב לפרוטון באטום המימן ויכול להימצא רק במסלולים מסוימים. במעבר בין מסלולים האלקטרון פולט או בולע אנרגיה בצורה של פוטון, כאשר לכל מעבר יש אנרגיה מסוימת שמתאימה לו. כך באמצעות מדידת האור הנפלט או הנבלע באטום אנו לומדים על מבנה המסלולים של האלקטרון סביב הגרעין.

הספקטרום של אטום המימן נמדד וחושב היטב בניסויים רבים, בדיוק גבוה מאוד, ואפשר להשוות אותו לספקטרום של אטום האנטי-מימן שנמדד לראשונה בניסוי "אלפא". מערכת הניסוי הזה מורכבת ביותר: מכיוון שכל החומר שאנו רואים ביקום הוא חומר רגיל, החוקרים צריכים לייצר את חלקיקי האנטי-חומר באמצעות מאיצי חלקיקים. לאחר מכן, באמצעות שדות חשמליים חזקים, מביאים את הפוזיטרון ואת האנטי-פרוטון לתוך תא רִיק, שם הם מתנגשים ויוצרים אטומי אנטי-מימן. את האטומים לוכדים באמצעות שדות מגנטיים חזקים כדי שיישארו במרכז התא ולא יפגעו בקירות, העשויים חומר רגיל, ולכן יתאיינו.

בכל פעם מופקים במאיץ החלקיקים כ-90 אלף אנטי-פרוטונים ובתא הרִיק יש כ-25 אלף אטומי אנטי-מימן, אך רק האיטיים ביותר מביניהם נלכדים בשדות המגנטיים ובסוף כל תהליך כזה נשארים בתא כ-14 אטומים בלבד. בזמן שהאטומים לכודים, מקרינים עליהם אור לייזר ומודדים את הבליעה שלו באטומי האנטי-מימן.

החוקרים מדדו את אנרגיית המעבר בין שני מסלולים באטום האנטי-מימן, השוו לתוצאה הידועה של אטום המימן והראו שהן זהות. המדידה שלהם פחות מדויקת מזו של המימן הרגיל, אך זהו צעד ראשון בהשוואה בין חומר ואנטי-חומר. למדידות כאלה חשיבות רבה בבדיקה של תיאוריית המודל הסטנדרטי והסימטריה הבסיסית שמאחוריה.