Znanstvenici diljem svijeta već desetljećima proučavaju antitvar ne bi li otkrili nove zakone fizike, odnosno sile i ostale fenomene koji se više primjenjuju na tvar nego antitvar i obrnuto. Do danas, doduše, nitko nije pronašao ništa neobično, odnosno nijedan konkretan dokaz za to da se čestice antitvari, koja je suprotno nabijena od srodnih čestica tvari, ponašaju drugačije ili slijede različita pravila.

Premda se situacija nije baš promijenila, skupina znanstvenika je tijekom eksperimentiranja s antitvari naišla na nešto zanimljivo. Hibridni atomi sastavljeni od tvari i antitvari u tekućem heliju ponašaju se jako čudno - umjesto da ih kupanje u ledenoj kupci, kao u slučaju većine atoma, učini nestabilnim, hibridni atomi helija ostali su uniformni i stabilni.

Otkriće je bilo toliko nevjerojatno da je tim proveo nekoliko godina provjeravajući rezultate eksperimenta, ponavljajući ga i pokušavajući zaključiti što se zapravo događa. Nakon što su došli da zaključka da su rezultati eksperimenta ispravni napisali su rad objavljen u časopisu Nature.

'Radi se o vrlo uzbudljivom otkriću', rekao je Mihail Lemeško, stručnjak za atomsku fiziku u Institutu za znanost i tehnologiju u Austriji koji nije sudjelovao u istraživanju. Lemeško očekuje da će rezultat dovesti do novih načina snimanja i analize nedostižnih oblika tvari. 'Ta će skupina pronaći još uzbudljivih prilika za lov na egzotične stvari', rekao je.

Ledeni antiprotoni

Jedan način mjerenja karakteristika atoma i njegovih sastavnih dijelova stimuliranje je laserom, odnosno procesom spektroskopije, u kojem se laserskom zrakom specifične snage elektron privremeno podiže u više energetsko stanje. Nakon što se vrati u prvotno stanje ispusti energiju u određenoj valnoj duljini. 'Ovo je, ako si tako želite objasniti, boja atoma', rekao je Masaki Hori, fizičar s odjela za kvantu optiku u Institutu Max Planck koji spektroskopijom proučava antitvar.

Istraživači bi u idealnom svijetu vidjeli svaki atom vodika i mogli očitati isijavanje u istom tonu. 'Spektralne linije' atoma vrlo precizno razotkrivaju njegove prirodne konstante poput naboja ili koliko je točno elektron lakši od protona, piše Wired.

Na veliku žalost znanstvene zajednice, stvari nisu idealne - atomi se zabijaju u susjede na niz kaotičnih načina. Konstantno naguravanje utječe na elektrone i energetsku razinu njihovog atoma. Ako ispalite laser prema distorziranim atomima, svaki od njih reagirat će idiosinkratično, a čista će se boja zamijeniti mrljama boje duge. Stručnjaci za spektroskopiju poput Horija provode karijeru boreći se protiv 'širenja' spektralnih linija. Primjerice, ponekad koriste rjeđe plinove, zbog kojih će kolizije atoma biti manje česte te energetske razine ostaju puno 'čišće'.

Upravo je zato projekt Anne Sótér, tadašnje Horijeve studentice, na prvi pogled bio kontraintuitivan. Sótér je 2013. radila u CERN-u na eksperimentu s antitvari u kojem bi skupina stvorila hibrid tvari i antitvari ispaljujući antiprotone u tekući helij. Antiprotoni su negativno nabijeni blizanci protona, što znači da bi antiproton ponekad zauzeo mjesto elektrona koji putuje oko helijeve jezgre. Rezultat bi bila mala kohorta atoma 'antiprotonskog helija'.

Projektom se željelo provjeriti je li spektroskopija helijeve kupke uopće moguća te stvoriti dokaz koncepta za buduće eksperimente koji bi koristili egzotičnije vrste hibridnih atoma.

Sótér je zanimalo kako bi hibridni atomi reagirali na razne temperature helija te je uvjerila ostale znanstvenike da potroše vrijednu antitvar na ponavljanje mjerenja unutar sve hladnijih helijevih kupki. 'Radilo se o nasumičnoj, usputnoj ideji', rekla je Sótér, sada profesorica u Švicarskom federalnom tehnološkom institutu u Zürichu. 'Ostali znanstvenici mislili su da se antiprotoni ne bi trebali trošiti na takvo što', rekla je.

U situaciji u kojoj bi većina atoma 'poludjela' zbog sve veće gustoće tekućine, hibridni atomi napravili su potpuno suprotno - kako je temperatura padala, spektralna mrlja se smanjivala. Na temperaturi ispod 2,2 kelvina, na kojoj helij postaje supertekućina bez trenja, uočili su iznenađujuće oštru spektralnu liniju. Unatoč potencijalnom nabijanju uzrokovanom zgusnutim medijem, hibridna kombinacija tvari i antitvari bila je neočekivano skladna.

Nesigurni oko toga što uopće zaključiti, Sótér i Hori razmotrili su rezultat i pokušali otkriti gdje su pogriješili. 'Nastavili smo s raspravom godinama nakon eksperimenta', rekao je Hori, 'jer nije bilo lako razumjeti što se točno događa.'

Znanstvenici su s vremenom zaključili da ništa nije pošlo po zlu. Uska spektralna linija pokazala je da hibridni atomi u supertekućem heliju ne prolaze kroz atomske kolizije kao inače kad se radi o plinovima. Pitanje je, doduše, zašto? Nakon konzultiranja s brojnim teoretičarima znanstvenici su došli do dva potencijalna odgovora.

Prvi uključuje prirodu tekućeg okružja. Atomski spektar se naglo suzio nakon što je skupina ohladila helij u supertekućinu, kvantni mehanički fenomen u kojem pojedini atomi gube identitet na način koji im omogućava usklađeni tok bez međusobnog dodirivanja. Superfluidnost općenito smanjuje broj međuatomskih kolizija pa znanstvenici očekuju da strani atomi prolaze kroz malo širenje ili ponekad i sužavanje. 'Supertekući helij', kaže Lemeško, 'najmekša je tvar u koju možete ubaciti atome i molekule.'

Dok je supertekući helij možda pomogao hibridnim atomima da postanu bolje izolirani, to i dalje ne objašnjava zašto se atomi odjednom ponašaju 'pristojno'. Još jedan ključ njihovog konformizma, kažu stručnjaci, njihova je neobična struktura koju uzrokuje umetnut antiproton, odnosno antitvar.

Ako gledamo atom, njegov mali elektron može se od njega udaljiti povećanjem energije laserom. Ako je na tako labavoj uzici, on se može sudariti s drugim atomima te im poremetiti energetske razine i dovesti do spektralnog proširivanja.

Nakon što su Sótér i kolege zamijenili brze elektrone za teške antiprotone drastično su promijenili atomsku dinamiku. Masivni antiproton preferira biti blizu jezgre, gdje ga vanjski elektron može štititi. 'Elektroni su nešto poput polja sile', rekao je Hori, 'oni su štit.' Ova pojednostavljena teorija ima svoja ograničenja - istražitelji i dalje ne mogu objasniti zašto se spektralno proširenje preokrenulo u sužavanje nakon prelaska iz tekućine u supertekućinu te također nemaju način na koji izmjeriti to sužavanje. 'Morate gledati unaprijed ili nemate teoriju', rekao je Hori i naglasio da se u tom slučaju radi o 'mahanju rukama'.

Nova otkrića

Otkriće ovog fenomena otključalo je novo područje spektroskopije. Postoji granica do koje istraživači mogu ići pri korištenju plinova niskog tlaka u kojima jurcaju atomi. Ovo brzo kretanje stvara puno više spektralnog širenja koje se suzbija usporavanjem atoma laserima i elektromagnetskim poljima. Zabijanje atoma u tekućinu puno je bolja metoda stabilizacije, pogotovo nakon što je potvrđeno da stavljanje atoma u tekućinu neće nužno mijenjati njihove spektralne linije. Nadalje, antiprotoni su samo jedna od egzotičnih čestica koje se mogu smjestiti u orbitu jezgre helija.

Horijeva skupina ovom je tehnikom uspjela stvorili i proučiti 'pijunski' helij, u kojem kratkoročna pijunska čestica zamjenjuje elektron. Znanstvenici su napravili prva spektroskopska mjerenja pijunskog helija i opisali ih u radu objavljenom u Natureu 2020.

Hori se nada da će uskoro iskoristiti ovu metodu za stvaranje kaonske čestice (rjeđe verzije pijuna) i antiverziju para protona i neutrona. Ovakvi će pokusi omogućiti fizičarima mjerenje određenih fundamentalnih konstanti s vrlo visokom preciznošću.