ALPHA -samarbetet vid CERN har rapporterat de första mätningarna av vissa kvanteffekter i energistrukturen av väteväte, vätgas antimateria -motsvarighet. Dessa kvanteffekter är kända för att existera i materia, och att studera dem kan avslöja ännu oobserverade skillnader mellan beteendet hos materia och antimateria. Resultaten, beskrivs i ett papper publicerat idag i tidningen Natur , visa att dessa första mätningar överensstämmer med teoretiska förutsägelser av effekterna i "normalt" väte, och bana väg för mer exakta mätningar av dessa och andra grundläggande mängder.

"Att hitta någon skillnad mellan dessa två former av materia skulle skaka grunden för standardmodellen för partikelfysik, och dessa nya mätningar undersöker aspekter av antimateria -interaktion - som lammskiftet - som vi länge har sett fram emot att ta itu med, "säger Jeffrey Hangst, talesperson för ALPHA -experimentet.

"Nästa på vår lista är att kyla stora prover av väteväte med hjälp av toppmoderna laserkylningstekniker. Dessa tekniker kommer att förändra antimateriastudier och möjliggöra jämförelser med hög precision som saknar motstycke mellan materia och antimateria."

ALPHA -teamet skapar väteatomer genom att binda antiprotoner som levereras av CERNs Antiproton Decelerator med antielektroner, kallas vanligare "positroner". Den begränsar dem sedan i en magnetfälla i ett ultrahögt vakuum, som hindrar dem från att komma i kontakt med materia och förinta. Laserljus lyser sedan på de fångade atomerna för att mäta deras spektrala svar. Denna teknik hjälper till att mäta kända kvanteffekter som den så kallade fina strukturen och lammskiftet, som motsvarar små splittringar i vissa energinivåer i atomen, och mättes i denna studie i antiväteatomen för första gången. Teamet använde tidigare detta tillvägagångssätt för att mäta andra kvanteffekter i väteväte, den senaste är en mätning av Lyman-alfa-övergången.

Den fina strukturen mättes i atomväte för mer än ett sekel sedan, och lade grunden för införandet av en grundläggande naturkonstant som beskriver styrkan i den elektromagnetiska interaktionen mellan elementära laddade partiklar. Lammskiftet upptäcktes i samma system för ungefär 70 år sedan och var ett nyckelelement i utvecklingen av kvantelektrodynamik, teorin om hur materia och ljus interagerar.

Lammskiftmätningen, som vann Willis Lamb Nobelpriset i fysik 1955, rapporterades 1947 vid den berömda Shelter Island -konferensen - det första viktiga tillfället för ledare för det amerikanska fysikgemenskapen att samlas efter kriget.

Teknisk anmärkning

Både den fina strukturen och lammskiftet är små splittringar i vissa energinivåer (eller spektrallinjer) av en atom, som kan studeras med spektroskopi. Den fina strukturuppdelningen av den andra energinivån för väte är en separation mellan den så kallade 2P _3/2 och 2P _1/2 nivåer i frånvaro av ett magnetfält. Klyvningen orsakas av interaktionen mellan atomens elektronhastighet och dess inneboende (kvant) rotation. Det "klassiska" lammskiftet är splittringen mellan 2S _1/2 och 2P _1/2 nivåer, även i avsaknad av ett magnetfält. Det är resultatet av effekten på elektronen av kvantfluktuationer som är associerade med virtuella fotoner som dyker in och ut ur existens i ett vakuum.

I deras nya studie, ALPHA-teamet bestämde delningen av fina strukturer och lammskiftet genom att inducera och studera övergångar mellan den lägsta energinivån för väteväte och 2P _3/2 och 2P _1/2 nivåer i närvaro av ett magnetfält på 1 Tesla. Med hjälp av värdet på frekvensen för en övergång som de tidigare hade mätt, övergången 1S – 2S, och antar att vissa kvantinteraktioner var giltiga för väteväte, forskarna drog utifrån sina resultat värdena för finstruktursplittringen och lammskiftet. De fann att de härledda värdena överensstämmer med teoretiska förutsägelser om klyvningarna i "normalt" väte, inom den experimentella osäkerheten på 2% för finkonstruktionens delning och 11% för lammskiftet.