В CERN получили первый оптический спектр антиводорода

Физики международной коллаборации ALPHA впервые изучили оптический спектр антиводорода и измерили энергию перехода позитрона из основного в первое возбужденное состояние (1S–2S). С точностью в две части на десять миллиардов она совпала со значением, измеренным для обычного атома водорода. Это новое подтверждение того, что одна из фундаментальных симметрий нашей Вселенной — CPT-симметрия — сохраняется. Эксперимент стал кульминацией более 20 лет работы научного сообщества CERN. Исследование опубликовано в журнале Nature, кратко о нем сообщает редакционная заметка журнала и пресс-релиз организации.

CPT (Charge-Parity-Time) симметрия — одно из фундаментальных свойств современных физических теорий. Это симметрия относительно одновременного изменения заряда, замены «право» на «лево» и обращения времени. Согласно ей частицы и античастицы (позитроны и электроны, протоны и антипротоны) почти не отличаются друг от друга: любой процесс в веществе, отраженный в зеркале и запущенный в обратном порядке будет протекать в точности так же, как и тот же процесс в антивеществе. Соответственно, многие свойства вещества и антивещества также будут совпадать, в особенности, их энергетические спектры.

Отклонения в свойствах будет указывать на новую физику за пределами Стандартной модели, которую пытаются отыскать ученые. Например, подобные расхождения предсказываются в некоторых вариантах теории струн.

Антиводород — один из объектов, на которых проходит проверка CPT-симметрии. Для его обычного аналога — водорода — многие свойства хорошо изучены. К примеру, минимальная частота фотона, требующаяся для того, чтобы электрон водорода перешел из основного состояния в первое возбужденное (1S-2S), измерена с точностью лучшей, чем одна часть в ста триллионах (10^-14). Сравнение величин на таком уровне сильно ограничит любые возможные нарушения CPT-симметрии, предсказываемые экзотическими теориями.

Эксперимент ALPHA CERN

Однако одной из главных сложностей для такого сравнения является сложность синтеза и удержания больших количеств антиводорода, требуемых для получения спектра. Лишь в 2002 году предшественники коллаборации научились синтезировать антиводород в количестве тысячи атомов. В 2010 году ALPHA впервые продемонстрировала захват антипротонов на 170 миллисекунд в магнитной ловушке. Нейтральные частицы удерживаются в ней благодаря своему внутреннему магнитному моменту — спину. Уже через год время удержания превысило 1000 секунд, а в 2012 году коллаборация отчиталась о первых измерениях спектров сверхтонкого расщепления позитронных уровней антиводорода. Эти спектры относятся к сверхтонкой структуре и энергии соответствующих переходов на порядки меньше, чем энергии возбуждения.

В новой работе коллаборация впервые измерила оптический спектр поглощения антиводорода, определив энергию для перехода позитрона с основного на первый возбужденный уровень (1S-2S). Для этого ученые использовали лазерную двухфотонную спектроскопию захваченных в ловушке атомов. Под термином «двухфотонная» подразумевается то, что позитрон должен поглотить сразу два кванта света, чтобы его энергии хватило для перехода.

Схема измерения спектра. Переход примерно соответствует линии Лайман-альфа, частота для одного из измеренных переходов составила 2 466 061 103 064(2) килогерц M. Ahmadi et al. / Nature, 2016

По сравнению с предыдущими измерениями ученые усовершенствовали установку, добившись того, чтобы за одну попытку захвата в ловушку попадало около 14 атомов антиводорода — раньше это число составляло в среднем 1,2 частицы. Всего же в каждом акте синтеза из 90 тысяч холодных антипротонов и облака позитронов образовывалось 25 тысяч атомов антиводорода.

Ученые отмечают, что сейчас точность проверки CPT-симметрии еще не предельна, точность — двести триллионных (2?10^-10). Более серьезный тест позволит исследовать форму спектральной линии. По словам физиков, сама работа показывает, что исследования антиматерии достигли поворотной точки: от принципиальных экспериментов к прецизионным измерениям и метрологии.

Помимо тестов с помощью спектра антиводорода CPT-симметрию проверяют и на других частицах. Так, недавно об измерениях соотношения массы антипротона к электрону сообщила другая коллаборация CERN — ASACUSA. Физики работают с экзотическими атомами антипротонного гелия, в которых роль одного из электронов выполняет антипротон. Точность измерений — сотни триллионных долей. Международная коллабрация BASE в прошлом году измерила отношение массы антипротона к его заряду — она совпала с таковой для протона с точностью в 65 триллионных долей.