Измерение сверхтонкого расщепления антиводорода достигло нового рекорда точности

Коллаборация ALPHA в ЦЕРН недавно завершила новое измерение сверхтонкого расщепления основного состояния антиводорода. Результаты показывают, что сверхтонкое расщепление антиводорода и обычного водорода полностью совпадает в пределах погрешности четыре части на миллион, а точность измерения на два порядка выше, чем в предыдущих экспериментах.

Укротители антиводорода: члены команды ALPHA из Университета Калгари, Канада. Задний ряд слева направо: Пойя Хейдари, Рис Стефанишин, Эббигейл Суодлинг, Филобетеер Гали, Шон Уилсон и Альберто Хесус Урибе Хименес. Передний ряд: Джей Су (слева) и Тимоти Фризен. (Фото предоставлено Джеем Су)

Антиводород, состоящий из антипротона и позитрона, является одним из простейших атомов антиматерии. Согласно Стандартной модели физики частиц, частицы материи и соответствующие частицы антиматерии должны быть полностью идентичны по всем свойствам, за исключением противоположных электрического заряда и магнитных характеристик. Однако содержание антиматерии во Вселенной значительно меньше, чем материи, и это явление остаётся важной нерешённой проблемой современной физики. Высокоточные измерения антиводорода считаются важным путём поиска потенциальных тонких различий между материей и антиматерией.

Эксперимент проводился на установке ALPHA-2 для антиводорода в комплексе замедлителя антипротонов в ЦЕРН. Чтобы избежать аннигиляции антиводорода при контакте с обычным веществом, исследователи удерживали антиматерию в цилиндрической ловушке Пеннинга—Мальмберга в условиях высокого вакуума и использовали мощные сверхпроводящие магниты для поддержания её в подвешенном состоянии внутри ловушки.

Данное исследование было сосредоточено на сверхтонком расщеплении антиводорода. Это явление возникает из-за магнитного взаимодействия между спинами антипротона и позитрона, которое приводит к расщеплению основного состояния позитрона в атоме антиводорода на четыре подуровня. Команда ALPHA применила микроволновые импульсы в диапазоне от 28 ГГц до 31 ГГц для индуцирования переходов с переворотом спина позитрона между соответствующими уровнями энергии и на основе этого вычислила энергию сверхтонкого расщепления.

Исследователь Тимоти Фризен из Университета Калгари, Канада, отметил, что команда продвинула точность измерения сверхтонкого расщепления антиводорода до 4 ppm в магнитном поле 1 тесла, что делает сравнение симметрии материя—антиматерия между антиводородом и обычным водородом одним из самых точных на сегодняшний день.

Исследователи отмечают, что хотя эта точность уже достаточна для входа в диапазон измерений, чувствительных к структуре антипротона, она всё ещё уступает соответствующим измерениям обычного водорода. Текущие результаты не показывают различий между антиводородом и водородом, и существующие физические модели по-прежнему согласуются с экспериментальными данными. На следующем этапе команда планирует попытаться индуцировать переходы с переворотом спина антипротона и применить лазерное охлаждение образцов антиводорода для снижения погрешностей, вызванных неоднородностью магнитного поля и шириной спектральных линий, что позволит ещё больше повысить точность измерений.