Команда ученых из коллаборации ALPHA сообщила о самом точном прямом измерении антивещества из когда-либо сделанных, раскрывая спектральную структуру атома антиводорода в беспрецедентных деталях.Результат, недавно опубликованный в журнале Nature, является кульминацией трех десятилетий исследований и разработок в ЦЕРНе и открывает совершенно новую эру высокоточных испытаний между веществом и антивеществом.
Скромный атом водорода, состоящий из одного электрона, вращающегося вокруг одного протона, является гигантом в фундаментальной физике, лежащим в основе современной атомной картины. Его спектр характеризуется хорошо известными спектральными линиями на определенных длинах волн, соответствующими испусканию фотонов определенной частоты или цвета, когда электроны прыгают между разными орбитами. Измерения спектра водорода согласуются с теоретическими предсказаниями на уровне нескольких долей в квадриллион (1015) — ошеломляющее достижение, с которым исследователи антивещества давно стремились сопоставить с антиводородом.
Сравнение таких измерений с измерениями атомов антиводорода, которые составляют антипротон, вращающийся вокруг позитрона, проверяет фундаментальную симметрию, называемую инвариантностью заряда-четности-времени (CPT). Обнаружение какой-либо незначительной разницы между ними может стать фундаментом Стандартной модели физики элементарных частиц и, возможно, пролить свет на то, почему Вселенная почти полностью состоит из материи, даже несмотря на то, что в результате Большого взрыва должно было образоваться равное количество антивещества.Однако до сих пор было почти невозможно произвести и уловить достаточное количество хрупких атомов антиводорода и приобрести необходимую оптическую технологию опроса, чтобы сделать возможной серьезную спектроскопию антиводорода.
Команда ALPHA создает атомы антиводорода, беря антипротоны из антипротонного замедлителя (AD) ЦЕРНа и связывая их с позитронами из источника натрия-22. Затем он удерживает образовавшиеся атомы антиводорода в магнитной ловушке, которая не дает им вступить в контакт с веществом и аннигилировать. Затем лазерный свет направляется на захваченные атомы антиводорода, их реакция измеряется и, наконец, сравнивается с реакцией водорода.
В 2016 году команда ALPHA использовала этот подход для измерения частоты электронного перехода между состоянием с наименьшей энергией и первым возбужденным состоянием (так называемый переход от 1S к 2S) антиводорода с точностью до пары частей из десяти. млрд, найдя хорошее согласие с эквивалентным переходом в водороде. Измерение включало использование двух лазерных частот — одна соответствует частоте перехода 1S-2S в водороде, а другая «отстроена» от нее — и подсчета количества атомов, выпавших из ловушки в результате взаимодействий между лазерами. и захваченные атомы.
Последний результат от ALPHA выводит антиводородную спектроскопию на новый уровень, используя не одну, а несколько расстроенных частот лазера, с немного более низкими и более высокими частотами, чем частота перехода 1S-2S в водороде. Это позволило команде измерить спектральную форму или разброс цветов антиводородного перехода 1S-2S и получить более точное измерение его центральной частоты. Форма очень хорошо совпадает с ожидаемой для водорода, и ALPHA смогла определить частоту перехода антиводорода 1S-2S с точностью до двух триллионных долей, что в 100 раз лучше, чем измерение 2016 года.
«Точность, достигнутая в последнем исследовании, — это высшее достижение для нас», — объясняет Нильс Мэдсен, заместитель представителя эксперимента ALPHA и профессор Университета Суонси. «Мы пытались добиться такой точности в течение 30 лет и, наконец, добились этого».Хотя точность все еще ниже, чем у обычного водорода, быстрый прогресс, достигнутый ALPHA, предполагает, что водородоподобная точность в антиводороде — и, таким образом, беспрецедентные испытания симметрии CPT — теперь достижимы.«Это настоящая лазерная спектроскопия с антивеществом, и материальное сообщество обратит на это внимание», — добавляет профессор Университета Суонси Майкл Чарльтон: «Мы реализуем все обещания центра AD в ЦЕРНе; это изменение парадигмы».
«Это сбывшаяся мечта. Теперь мы твердо нацелены на дальнейшее улучшение точности, чтобы соответствовать экспериментам с обычным водородом. Это будет огромная проблема, но с фантастической командой, которая у нас есть в настоящее время, я уверен, что мы добьемся прогресса». прокомментировал профессор Стефан Эрикссон, Университет Суонси.
В лазерную команду входит доктор Стивен Джонс, чьи усилия сыграли важную роль в успехе сотрудничества. Доктор Джонс недавно защитил кандидатскую диссертацию по антиводородной спектроскопии в Университете Суонси.
Ана Лопес из ЦЕРН предоставила значительную часть этого резюме результатов исследования.