Физики ЦЕРНа измеряют квантовые эффекты в энергетической структуре антиводорода
Альфа - это международное исследовательское сотрудничество в области антиматерии, основанное в ЦЕРНе, в состав которого входят 50 ученых из восьми стран.
В 1947 году американский физик Уиллис Лэмб и его коллеги наблюдали невероятно малый сдвиг в энергетических уровнях атома водорода, когда электрон и протон атома взаимодействовали с вакуумом. Согласно традиционным теориям физики того времени, сдвиг Лэмба не должен был произойти.
«Ничто» вакуума не должно влиять на поведение атомов водорода. Это открытие подтолкнуло развитие новой теории квантовой электродинамики для объяснения этого несоответствия и принесло Лэмбу Нобелевскую премию по физике в 1955 году. Теперь физики из коллаборации ALPHA в ЦЕРНе обнаружили и измерили лэмбовский сдвиг в антиводороде, аналоге антиматерии водорода.
Альфа — это международное исследовательское сотрудничество в области антиматерии, основанное в ЦЕРНе, в состав которого входят 50 ученых из восьми стран.
Эксперимент создает атомы антиводорода, связывая антипротоны, поставляемые антипротонным замедлителем ЦЕРНа, с позитронами (антиэлектронами). Затем он заключает их в магнитную ловушку в сверхвысоком вакууме, что препятствует их контакту с веществом и аннигиляции. Затем лазерный луч направляют на захваченные атомы, чтобы измерить их спектральную реакцию.
Этот метод помогает измерить известные квантовые эффекты, такие как так называемая тонкая структура и лэмбовский сдвиг.
«Наблюдение сдвига Лэмба в водороде было знаковым событием в истории современной физики», — сказал Макото Фудзивара, физик из центра ускорителей частиц TRIUMF — Canada и член коллаборации ALPHA.
«Я думаю, что каждый физик, работавший в эксперименте с антиматерией, мечтал измерить этот эффект в антиводороде. Мы очень рады, что наконец-то смогли это сделать, благодаря новым передовым лазерным технологиям.”
Как тонкая структура, так и лэмбовский сдвиг представляют собой небольшие расщепления на определенных энергетических уровнях (или спектральных линиях) атома, которые могут быть изучены с помощью спектроскопии.
Тонкоструктурное расщепление второго энергетического уровня водорода представляет собой разделение между так называемыми 2P3/2 и 2P1/2 уровнями в отсутствие магнитного поля.
Расщепление вызвано взаимодействием между скоростью электрона атома и его собственным (квантовым) вращением.
«Классический» сдвиг Лэмба — это расщепление между уровнями 2S1/2 и 2P1/2, также в отсутствие магнитного поля. Это результат воздействия на электрон квантовых флуктуаций, связанных с фотонами, появляющимися и исчезающими в вакууме.
Команда Альфа определила расщепление тонкой структуры и лэмбовский сдвиг, индуцируя и изучая переходы между самым низким энергетическим уровнем антиводорода и уровнями 2P3/2 и 2P1/2 в присутствии магнитного поля 1 Тесла.
Используя значение частоты перехода, которое они ранее измерили для 1S-S, и предполагая, что определенные квантовые взаимодействия были допустимы для антиводорода, ученые вывели из своих результатов значения расщепления тонкой структуры и сдвига Лэмба.
Они обнаружили, что полученные значения согласуются с теоретическими предсказаниями расщепления в водороде, в пределах экспериментальной неопределенности 2% для тонкоструктурного расщепления и 11% для лэмбовского сдвига.
«В пределах точности нашего эксперимента лэмбовский сдвиг антиводорода идентичен сдвигу обычного атома водорода», — сказал Такамаса Момосэ, исследователь из Университета Британской Колумбии и член коллаборации Альфа.
«Работа подтверждает, что ключевая часть теории квантовой электродинамики имеет место как в материи, так и в антиматерии. Это делает нас на шаг ближе к пониманию различий между материей и антиматерией, и почему так много антиматерии исчезло после Большого Взрыва.”
«Обнаружение любого различия между этими двумя формами материи пошатнуло бы основы Стандартной модели физики элементарных частиц, и эти новые измерения исследуют аспекты взаимодействия антиматерии — такие как сдвиг Лэмба — которые мы давно хотели рассмотреть”, — сказал доктор Джеффри Хэнгст, представитель эксперимента Альфа.
— Следующий пункт в нашем списке — это охлаждение больших образцов антиводорода с использованием современных методов лазерного охлаждения. Эти методы преобразуют исследования антиматерии и позволят проводить беспрецедентно высокоточные сравнения между веществом и антиматерией.”
M. Ahmadi et al. Investigation of the fine structure of antihydrogen. Nature 578, 375-380; doi: 10.1038/s41586-020-2006-5