ALPHA -samarbejde rapporterer første målinger af visse kvanteeffekter i antimateriale

ALPHA-samarbejdet på CERN har rapporteret de første målinger af visse kvanteeffekter i antibrints energistruktur, antistof-modstykket til brint. Disse kvanteeffekter vides at eksistere i stoffet, og at studere dem kunne afsløre endnu uobserverede forskelle mellem stofs og antistofs adfærd. Resultaterne, beskrevet i et papir offentliggjort i dag i tidsskriftet Natur , viser, at disse første målinger stemmer overens med teoretiske forudsigelser af virkningerne i "normalt" brint, og bane vejen for mere præcise målinger af disse og andre fundamentale størrelser.

"At finde en forskel mellem disse to former for stof ville ryste grundlaget for standardmodellen for partikelfysik, og disse nye målinger undersøger aspekter af antistof-interaktion – såsom Lammeskiftet – som vi længe har set frem til at tage fat på, " siger Jeffrey Hangst, talsmand for ALPHA-eksperimentet.

"Den næste på vores liste er nedkøling af store prøver af antibrint ved hjælp af state-of-the-art laser afkølingsteknikker. Disse teknikker vil transformere antistof undersøgelser og vil tillade hidtil uset høj præcision sammenligninger mellem stof og antistof."

ALPHA-teamet skaber antihydrogenatomer ved at binde antiprotoner leveret af CERNs Antiproton Decelerator med antielektroner, mere almindeligt kaldet "positroner". Det indeslutter dem derefter i en magnetisk fælde i et ultrahøjt vakuum, som forhindrer dem i at komme i kontakt med stof og tilintetgøre. Derefter skinner laserlys på de fangede atomer for at måle deres spektrale respons. Denne teknik hjælper med at måle kendte kvanteeffekter som den såkaldte fine struktur og lammeskiftet, som svarer til små spaltninger i bestemte energiniveauer af atomet, og blev målt i denne undersøgelse i antihydrogenatomet for første gang. Holdet brugte tidligere denne tilgang til at måle andre kvanteeffekter i antibrint, den seneste er en måling af Lyman-alfa-overgangen.

Den fine struktur blev målt i atombrint for mere end et århundrede siden, og lagde grundlaget for indførelsen af ​​en fundamental naturkonstant, der beskriver styrken af ​​den elektromagnetiske interaktion mellem elementært ladede partikler. Lammeskiftet blev opdaget i det samme system for omkring 70 år siden og var et nøgleelement i udviklingen af ​​kvanteelektrodynamik, teorien om, hvordan stof og lys interagerer.

Lammeskiftsmålingen, som vandt Willis Lamb Nobelprisen i fysik i 1955, blev rapporteret i 1947 på den berømte Shelter Island-konference - den første vigtige mulighed for ledere af det amerikanske fysiksamfund til at samles efter krigen.

Teknisk note

Både den fine struktur og lammeskiftet er små splittelser i bestemte energiniveauer (eller spektrale linjer) af et atom, som kan studeres med spektroskopi. Finstrukturopdelingen af ​​brints andet energiniveau er en adskillelse mellem det såkaldte 2P _3/2 og 2P _1/2 niveauer i fravær af et magnetfelt. Spaltningen er forårsaget af interaktionen mellem hastigheden af ​​atomets elektron og dets iboende (kvante) rotation. Det "klassiske" Lamb shift er opdelingen mellem 2S _1/2 og 2P _1/2 niveauer, også i fravær af et magnetfelt. Det er resultatet af virkningen på elektronen af ​​kvanteudsving forbundet med virtuelle fotoner, der popper ind og ud af eksistensen i et vakuum.

I deres nye undersøgelse, ALPHA-teamet bestemte finstrukturopdelingen og lammeskiftet ved at inducere og studere overgange mellem det laveste energiniveau af antihydrogen og 2P _3/2 og 2P _1/2 niveauer i nærvær af et magnetfelt på 1 Tesla. Ved at bruge værdien af ​​frekvensen af ​​en overgang, som de tidligere havde målt, 1S–2S overgangen, og under antagelse af, at visse kvanteinteraktioner var gyldige for antihydrogen, forskerne udledte ud fra deres resultater værdierne af finstrukturopdelingen og lammeskiftet. De fandt ud af, at de udledte værdier er i overensstemmelse med teoretiske forudsigelser af spaltningerne i "normalt" brint, inden for den eksperimentelle usikkerhed på 2 % for finstrukturopdelingen og på 11 % for Lammeskiftet.