Физики измерили тонкое расщепление и лэмбовский сдвиг энергетических состояний атома антиводорода — они оказались такими же, что и у обычного водорода. Данные характеристики состояний позволяют искать различия между материей и антиматерией. Новые измерения устанавливают еще более строгие ограничения на нарушение CPT-симметрии, поэтому отсутствие антиматерии во Вселенной по-прежнему остается без объяснения, пишут авторы в журнале Nature.
У всех элементарных частиц существуют частицы-партнеры с обратными знаками зарядов — античастицы. В некоторых случаях частица и античастица совпадают (например, фотон), а других — отличаются (например, электрон и позитрон), а при взаимодействии аннигилируют с выделением энергии. Большинство физических законов действуют идентично на частицы и античастицы, однако на больших масштабах нет никаких признаков сосуществования двух видов материи. Факт столь значительного преобладания обычного вещества называется барионной асимметрией Вселенной. На данный момент не предложено исчерпывающей теории, объясняющей это наблюдение.
Одно из направлений исследований в этой сфере — поиск нарушения комбинированной CPT-симметрии, то есть эквивалентности физических процессов при одновременной инверсии всех зарядов, зеркального отражения пространства и обращения хода времени. Теоретически нарушение этой симметрии во время Большого взрыва может быть ответственным за нехватку антиматерии.
На нарушение CPT-симметрии могут указать как исследования отдельных частиц, таких как нейтральные каоны, позитроны и антипротоны (во всех случаях отклонения найти не удалось), так и сравнение материи с антиматерией. Для этого ученые исследуют электромагнитные спектры соответствующих веществ. С одной стороны, определяющие спектр энергии состояний зависят от множества факторов, а с другой — в случае простейших систем их можно с высокой точностью рассчитать теоретически. Также из-за практических проблем с содержанием антиматерии намного легче изучать простые системы.
Джеффри Хангст (Jeffrey Hangst) из Орхусского университета в Дании и его коллеги из CERN в рамках эксперимента ALPHA измерили новую характеристику спектра состоящего из антипротона и позитрона антиводорода — лэмбовский сдвиг. Этот феномен отвечает за небольшое смещение энергетических уровней из-за взаимодействия с нулевыми квантовыми флуктуациями вакуума. Данный эффект известен для обычного водорода, он может быть как измерен, так и теоретически вычислен. Оказалось, что в пределах погрешности у антиводорода лэмбовский сдвиг по величине не отличается.
Позитроны в антиатомах, так же, как и электроны в атомах, могут находиться только в состояниях с определенной энергией. Переход из состояния с более высокой энергией сопровождается испусканием фотона. Следовательно, спектр такой системы, то есть совокупность порождаемых ей фотонов, определяется различными уровнями энергий.
В первом приближении энергии состояний можно вычислить из модели Бора, однако в действительности на них также оказывает воздействие множество дополнительных явлений, значительно усложняющих картину, из-за чего возникает тонкая и сверхтонкая структура уровней. Одним из них является лэмбовский сдвиг, из-за «классического» варианта которого смещаются энергии уровней 2S1/2 и 2P1/2.
Основной вклад в лэмбовский сдвиг дает взаимодействие с квантовыми флуктуациями электромагнитного вакуума, то есть виртуальными фотонами, постоянно возникающими и исчезающими даже в отсутствии частиц и полей. Также величина данного сдвига зависит от ряда второстепенных факторов, таких как зарядовый радиус ядра, степень слабого ядерного взаимодействия и, возможно, еще неизвестных причин, отвечающих за барионную асимметрию. Помимо лэмбовского сдвига, текущая работа посвящена изменениям, вызванным тонким расщеплением. Из-за этого явления различаются энергии состояний 2P1/2 и 2P3/2.
В рамках эксперимента физики каждые несколько минут смешивали девяносто тысяч замедленных антипротонов с тремя миллионами позитронов. В результате получалось около двадцати антиводородов, которые затем удерживались в магнитной ловушке в сверхвысоком вакууме в течение не менее 60 часов. Лазер переводил антиатом в возбужденное состояние, а после перехода в основное происходила их аннигиляция с обычным водородом, в результате которой возникали заряженные пионы. Зависимость количества пионов с данной энергией от частоты возбуждающего лазера позволила определить спектр антиводорода.
Оказалось, что энергии переходов 1S–2P1/2 и 1S–2P3/2 у антиводорода такие же, как и у обычного водорода с точностью восемнадцать миллиардных. Тонкое расщепление между 2P1/2 и 2P3/2 удалось измерить с точностью в полпроцента — оно также совпало с известной для водорода величиной. Вместе с проведенными несколько лет назад измерениями переходов между состояниями 1S и 2S у антиводорода, авторам удалось измерить лэмбовский сдвиг — он также не отличается, но точность составляет всего 11 процентов (или 3,3, если при анализе использовать известное значение для обычного водорода).
Более точные измерения спектральных характеристик антиводорода позволят в будущем исследовать дополнительные параметры, по которым антивещество может отличаться. В частности, если лэмбовский сдвиг удастся определить с точностью в сотые доли процента, то можно будет измерить зарядовый радиус антипротона.
Ранее физики впервые заметили асимметрию между материей и антиматерией в распадах D-мезонов, заставили антиматерию показать волновые свойства. Все, что вы хотели знать об антиматерии — в вопросах и ответах в материале «С точностью до наоборот».
Тимур Кешелава