หนึ่งในความสำเร็จที่น่าทึ่งที่สุดในฟิสิกส์ควอนตัมคือการทำนาย เกี่ยวกับการต่อต้านอิเล็กตรอนในปี 1930 ด้วยการดัดแปลงคำอธิบายของอิเล็กตรอนของชโรดิงเงอร์อย่างไม่รู้จักเหน็ดเหนื่อยจนสอดคล้องกับทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ได้สมการที่สวยงามซึ่งมีคำตอบของ “พลังงานเชิงลบ” เพิ่มเติม . เขาเสนอว่าสารละลายเหล่านี้สอดคล้องกับอนุภาคที่มีมวลเท่ากับอิเล็กตรอน แต่มีประจุไฟฟ้าตรงกันข้าม
สามปีต่อมา
คาร์ล แอนเดอร์สัน ค้นพบปฏิอนุภาคตัวแรกของโลกที่ชื่อว่าโพซิตรอนที่สถาบันเทคโนโลยีแห่งแคลิฟอร์เนีย แต่วิสัยทัศน์ สำหรับปฏิสสารไม่ได้หยุดอยู่แค่นั้น ในปี พ.ศ. 2474 เขาตระหนักว่าอนุภาคมูลฐานเพียงชนิดเดียวที่รู้จักในเวลานั้น ซึ่งก็คือโปรตอน ควรมีปฏิอนุภาคที่สอดคล้องกันเช่นกัน:
โพซิตรอนและแอนติโปรตอนก่อให้เกิดการต่อต้านอะตอมชนิดที่ง่ายที่สุด นั่นคือ แอนติไฮโดรเจน อย่างไรก็ตาม การทำให้ปฏิอนุภาคทั้งสองนี้มารวมกันและก่อตัวเป็นระบบปรมาณูระบบเดียวนั้นไม่ได้หมายถึงความสำเร็จ ไม่น้อยเพราะปฏิสสารจะทำลายล้างทันทีเมื่อสัมผัสกับสสารธรรมดา
โลกที่ไม่สมมาตรเมื่อเรามองออกไปที่จักรวาลจากจุดที่มองเห็นบนโลกของเรา สิ่งหนึ่งที่ชัดเจน: มันถูกครอบงำโดยสสาร ไม่ว่าเราจะมองอย่างไรหรือมองที่ใด ปฏิสสารไม่มีอยู่จริงในปริมาณที่เราคาดหวังหากสสารและปฏิสสารถูกสร้างขึ้นในปริมาณที่เท่ากันในบิกแบง ตามที่สันนิษฐานกันโดยทั่วไปว่าเกิดขึ้น
การทำความเข้าใจความไม่สมดุลระหว่างสสารและปฏิสสารมีความสำคัญอย่างยิ่งในฟิสิกส์และดาราศาสตร์ ท้ายที่สุด หากทุกอนุภาคและปฏิปักษ์ที่สร้างขึ้นในบิกแบงได้ทำลายล้างซึ่งกันและกัน ก็จะไม่มีอะไรให้ดูและไม่มีใครลงมาที่นี่เพื่อดูมันแล้วทำไมนักฟิสิกส์ถึงพยายามมาตลอด 50 ปีที่ผ่านมา?
วิธีหนึ่งในการทดสอบความเท่าเทียมกันของสสารและปฏิสสารคือการพิจารณาการแปลงควอนตัมพื้นฐานที่เรียกว่าการดำเนินการประจุ-พาริตี-เวลา (CPT) เมื่อการแปลง ถูกนำไปใช้กับระบบทางกายภาพ จะเกิดสามสิ่ง: ทุกอนุภาคจะถูกแปลงเป็นปฏิปักษ์ พิกัดเชิงพื้นที่แต่ละอันจะสะท้อนออกมา
เพื่อให้ซ้าย
กลายเป็นขวา บนกลายเป็นล่าง และไปข้างหน้ากลายเป็นถอยหลัง และเวลาจะย้อนกลับ ตามทฤษฎีบท ซึ่งเป็นหัวใจของแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์ของอนุภาค จักรวาลมีความสมมาตรอย่างสมบูรณ์แบบภายใต้การเปลี่ยนแปลงแบบรวมนี้ แม้ว่าการรวมกัน บางอย่างอาจถูกละเมิดทีละรายการ
ขณะนี้ไม่มีหลักฐานการทดลองหรือแม้แต่เหตุผลทางทฤษฎีที่น่าสนใจที่จะสงสัยความถูกต้องของทฤษฎีบท พคท. อย่างไรก็ตาม การวัดค่าคุณสมบัติของสารต่อต้านอะตอมอย่างแม่นยำนั้นเป็นวิธีที่ไม่เหมือนใครในการทดสอบสิ่งนี้ครั้งแล้วครั้งเล่า หากสมมาตร CPT ถูกละเมิด
อาจแสดงเป็นความแตกต่างเล็กน้อยในความถี่ของการเปลี่ยนทางอิเล็กทรอนิกส์หรือ “โพซิโทรนิก” ในอะตอมของไฮโดรเจนและแอนติไฮโดรเจนแอนติโปรตอน อนุภาคนี้ถูกค้นพบที่เบิร์กลีย์ในเดือนตุลาคม พ.ศ. 2498 ซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของการสร้างอะตอมที่ทำจากปฏิสสารทั้งหมด
ประการแรก แอนติโปรตรอนจะถูกส่งผ่านแผ่นโลหะบาง ๆ ซึ่งพวกมันจะถูกทำให้ช้าลงด้วยอันตรกิริยาของคูลอมบ์ จากนั้น เศษส่วนของอนุภาคจะถูกจับไว้ใน “ขวด” แม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งจะกักอนุภาคไว้ในทิศทางตามขวางโดยใช้สนามแม่เหล็กโซลินอยด์แรงสูง และในทิศทางตามยาวโดยใช้สนามไฟฟ้า
ที่สร้างขึ้นโดยอิเล็กโทรดทรงกระบอกกลวง ในที่สุด แอนติโปรตอนจะได้รับอันตรกิริยาของคูลอมบ์กับอิเล็กตรอนในกับดัก ซึ่งตัวมันเองจะถูกทำให้เย็นลงโดยการปล่อยรังสีไซโคลตรอนขณะที่พวกมันหมุนในสนามแม่เหล็ก ห่วงโซ่ของเหตุการณ์นี้โดยทั่วไปจะทิ้งแอนติโปรตอนที่ใช้งานได้ประมาณ 10,000 ตัว
ไว้ในกับดักที่อุณหภูมิประมาณ 4 เคลวิน การจับส่วนประกอบอื่นของแอนติไฮโดรเจน โพซิตรอน ค่อนข้างง่ายกว่า ส่วนหนึ่งเป็นเพราะพวกมันสามารถผลิตได้อย่างต่อเนื่องนับล้านจากแหล่งกัมมันตภาพรังสี การทดลอง สะสมโพซิตรอนโดยใช้เทคนิคที่บุกเบิก และเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
ในซานดิเอโก
ที่นี่ โพซิตรอนจะถูกทำให้ช้าลงโดยการชนกับก๊าซไนโตรเจน สะสมไว้ประมาณ 200 วินาทีในกับดักเพนนิง และในที่สุดก็ถูกถ่ายโอนไปยังกับดักเพนนิงที่สองในแม่เหล็กเดียวกับที่ใช้ดักจับแอนติโปรตรอน สิ่งที่ต้องทำเพื่อผลิตแอนติไฮโดรเจนคือปล่อยแอนติโปรตอนเข้าไปในโพซิตรอนพลาสมา
ซึ่งประมาณ 15% ของแอนติโปรตอนที่ติดอยู่จะกลายเป็นนิวเคลียสของอะตอมแอนติไฮโดรเจนเมื่ออะตอมแอนติไฮโดรเจนก่อตัวขึ้น อะตอมนั้นไม่มีประจุสุทธิ ดังนั้นจึงไม่ถูกจำกัดโดยสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในกับดักเพนนิง เมื่อหลุดออกจากเครื่องมือแล้ว สามารถตรวจจับสารต่อต้านอะตอมได้สองวิธี
วิธีการ ชื่นชอบคือการบันทึกการทำลายล้างของสารต่อต้านอะตอมเมื่อพวกมันสัมผัสกับอิเล็กโทรดกับดัก ซึ่งสร้าง “แสงวาบ” ของไพออนและรังสีแกมมาที่สามารถตรวจจับได้ด้วยเครื่องตรวจจับภาพที่ซับซ้อน . ในทางกลับกัน ใช้สนามไฟฟ้าเพื่อดึงแอนติอะตอมที่มีพันธะอ่อนออกจากกัน
จากนั้นดักจับและบันทึกแอนติโปรตอนที่พวกมันทำลายล้าง ในทั้งสองกรณี สัญญาณปฏิสสารจะไม่คลุมเครือ ทำให้นักวิจัยสามารถศึกษาวิธีการก่อตัวต่อต้านอะตอมและเริ่มสำรวจคุณสมบัติของพวกมันได้
ยิมนาสติกแช่แข็งเนื่องจากไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบที่มีมากที่สุดในจักรวาล
คุณอาจคิดว่ากระบวนการที่โปรตอนและอิเล็กตรอนรวมกันเพื่อสร้างอะตอมหรือเทียบเท่ากับกระบวนการต่อต้านนั้นค่อนข้างตรงไปตรงมา อย่างไรก็ตาม หากเป็นกรณีนี้ พวกเราหลายคนอาจเก็บข้าวของและย้ายไปทำการทดลองอื่นได้สักพักแล้ว! ความยากลำบากเกิดขึ้นเนื่องจากอะตอมของแอนติไฮโดรเจนจำเป็นต้องผลิตขึ้นที่อุณหภูมิของเหลว-ฮีเลียม ก่อนที่เราจะสามารถศึกษารายละเอียดเหล่านี้ได้
