В антиводороде впервые увидели переход позитрона из основного состояния в первое возбужденное

Физики из коллаборации ALPHA впервые наблюдали в антиводороде позитронный переход между основным и первым возбужденным энергетическими уровнями. Этот переход соответствует первой спектральной линии в серии Лаймана. Ученые измерили частоту этого перехода, которая с точностью до шестого знака в пять частей на сто миллиардов совпала со значением для обычного водорода. Результаты проведенного эксперимента можно будет использовать для улучшения методов лазерного охлаждения антивещества и дальнейшего исследования его свойств, пишут ученые в Nature. 

Основная серия линий в электромагнитном спектре обычного водорода — серия Лаймана — находится в ультрафиолетовом диапазоне и появляется из-за переходов электронов между основным энергетическим уровнем (1S) и одним из возбужденных уровней. Электронные переходы, связанные с этими спектральными линиями, изучены с очень высокой точностью: например, частота перехода с уровня 1s на уровень 2s для водорода сейчас определена с точностью до 16-го знака после запятой.

Такая же серия спектральных линий наблюдается и в антиводороде — аналоге водорода, в котором место электрона занимает позитрон, а место протона — антипротон. Впервые увидеть ее удалось физикам из коллаборации ALPHA еще в конце 2016 года. Спектры антиводорода ученые используют для проверки CPT-симметрии, одного из фундаментальных свойств современной физических теорий. Согласно этому принципу, частицы и античастицы при одновременном изменении заряда, обращении времени и замены «право» на «лево», не отличаются друг от друга. Это приводит к тому, что энергетические спектры вещества и антивещества должны совпадать. Затем подтвердить этот принцип удалось в 2018 году, увеличив точность измерений исследовав уже сверхтонкое расщепление позитронных уровней.

На этот раз физикам из коллаборации ALPHA под руководством Макото Фудзивары (Makoto C. Fujiwara) удалось зафиксировать в антиводороде позитронный переход с уровня 1S на уровень 2P, соответствующий первой линии в серии Лаймана (длина волны этой линии составляет 121,6 нанометра). В случае обычного вещества изучение этого перехода — первого спектрального перехода в самом простом атоме — сыграло важную роль как при развитии физики, так и в астрономии: например, исследование леса линий Лайман-альфа, образующегося в результате многократного повторения линии при различном красном смещении, помогло проверить существующие космологические модели.

Для возбуждения подобного перехода в антиводороде его атомы были зафиксированы с помощью магнитной ловушки (величина использованного поля составила 1,033 тесла). За один четырехминутный цикл из антипротонов и позитронов образуется около 50 тысяч атомов антиводорода, однако лишь 10–20 из них имеют энергию, необходимую для измерения. Благодаря нескольким нововведениям в систему стабилизации антивещества (в частности, усовершенствованию подходов управления плазмой и увеличению скорости захвата антиатомов) после многократного повторения таких циклов через несколько часов в ловушке накопилось около 500 атомов антиводорода, которые затем были использованы для спектрометрических измерений.

После этого с помощью наносекундных лазерных импульсов с частотой 65 мегагерц ученые переводили позитроны в атомах антиводорода в возбужденное состояние. В результате исследователям удалось зафиксировать 966 позитронных переходов, соответствующих линиям Лайман-альфа. Частота измеренного перехода составила 2 466 051 гигагерц, что совпадает с теоретическими предсказаниями с точностью 5×10⁻⁸. Таким образом, никаких отклонений от принципа CPT-симметрии и в этом эксперименте зафиксировано не было.

Кроме того, авторы работы изучили распределение кинетической энергии захваченных в ловушку антиатомов и показали, что при 20 кельвинах они не находятся в равновесии с облаком позитронов, однако их свойства описываются в рамках используемой теоретической модели с помощью компьютерного моделирования. Потом в будущем эти данные можно использовать для совершенствования методов лазерного охлаждения антивещества.

По словам авторов работы, полученный результат, наряду с предыдущими данными о частоте 1S—2S перехода и сверхтонкой структуре энергетического спектра, показывает возможность лазерного охлаждения атома антиводорода, с помощью которого в дальнейшем можно будет более детально исследовать спектроскопические свойства антивещества и проводить гравитационные измерения.

Получение антивещества и работа с ним остается крайне непростой экспериментальной задачей. О том, какие трудности возникают, например, при транспортировке антивещества к экспериментальным установкам, вы может прочитать в нашем блоге. А подробнее о важности исследования антивещества для современной физики мы писали в материале «С точностью до наоборот».

Александр Дубов