De ALPHA-samenwerking bij CERN heeft de eerste metingen gerapporteerd van bepaalde kwantumeffecten in de energiestructuur van antiwaterstof, de antimaterie-tegenhanger van waterstof. Van deze kwantumeffecten is bekend dat ze bestaan ​​in materie, en het bestuderen ervan zou tot nu toe onopgemerkte verschillen tussen het gedrag van materie en antimaterie aan het licht kunnen brengen. De resultaten, beschreven in een artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd Natuur , laten zien dat deze eerste metingen consistent zijn met theoretische voorspellingen van de effecten in "normale" waterstof, en de weg vrijmaken voor nauwkeurigere metingen van deze en andere fundamentele grootheden.

"Het vinden van enig verschil tussen deze twee vormen van materie zou de fundamenten van het standaardmodel van de deeltjesfysica doen schudden, en deze nieuwe metingen onderzoeken aspecten van antimaterie-interactie - zoals de Lam-verschuiving - waar we lang naar hebben uitgekeken, " zegt Jeffrey Hangst, woordvoerder van het ALPHA-experiment.

"De volgende op onze lijst is het koelen van grote monsters van antiwaterstof met behulp van ultramoderne laserkoelingstechnieken. Deze technieken zullen antimateriestudies transformeren en ongekend nauwkeurige vergelijkingen tussen materie en antimaterie mogelijk maken."

Het ALPHA-team creëert anti-waterstofatomen door antiprotonen, geleverd door CERN's Antiproton Decelerator, te binden met anti-elektronen, meer in het algemeen "positronen" genoemd. Het sluit ze vervolgens op in een magnetische val in een ultrahoog vacuüm, die voorkomt dat ze in contact komen met materie en vernietigen. Laserlicht wordt vervolgens op de ingesloten atomen geschenen om hun spectrale respons te meten. Deze techniek helpt bij het meten van bekende kwantumeffecten zoals de zogenaamde fijne structuur en de Lamb shift, die overeenkomen met kleine splitsingen in bepaalde energieniveaus van het atoom, en werden in dit onderzoek voor het eerst gemeten in het antiwaterstofatoom. Het team gebruikte deze benadering eerder om andere kwantumeffecten in antiwaterstof te meten, de laatste is een meting van de Lyman-alfa-overgang.

De fijne structuur werd meer dan een eeuw geleden gemeten in atomaire waterstof, en legde de basis voor de introductie van een fundamentele natuurconstante die de sterkte van de elektromagnetische interactie tussen elementair geladen deeltjes beschrijft. De Lamb-verschuiving werd ongeveer 70 jaar geleden in hetzelfde systeem ontdekt en was een sleutelelement in de ontwikkeling van kwantumelektrodynamica, de theorie van hoe materie en licht op elkaar inwerken.

De Lamb-shift meting, waarmee Willis Lamb in 1955 de Nobelprijs voor Natuurkunde won, werd in 1947 gemeld op de beroemde Shelter Island-conferentie - de eerste belangrijke gelegenheid voor leiders van de Amerikaanse natuurkundegemeenschap om na de oorlog bijeen te komen.

Technische notitie

Zowel de fijne structuur als de Lamb shift zijn kleine splitsingen in bepaalde energieniveaus (of spectraallijnen) van een atoom, die met spectroscopie kunnen worden bestudeerd. De fijnstructuursplitsing van het tweede energieniveau van waterstof is een scheiding tussen de zogenaamde 2P _3/2 en 2P _1/2 niveaus in afwezigheid van een magnetisch veld. De splitsing wordt veroorzaakt door de interactie tussen de snelheid van het elektron van het atoom en zijn intrinsieke (kwantum) rotatie. De "klassieke" Lamb-shift is de splitsing tussen de 2S _1/2 en 2P _1/2 niveaus, ook bij afwezigheid van een magnetisch veld. Het is het resultaat van het effect op het elektron van kwantumfluctuaties die samenhangen met virtuele fotonen die in en uit een vacuüm springen.

In hun nieuwe studie het ALPHA-team bepaalde de fijnstructuursplitsing en de Lamb-verschuiving door overgangen tussen het laagste energieniveau van antiwaterstof en de 2P te induceren en te bestuderen _3/2 en 2P _1/2 niveaus in aanwezigheid van een magnetisch veld van 1 Tesla. Gebruikmakend van de waarde van de frequentie van een overgang die ze eerder hadden gemeten, de 1S-2S overgang, en ervan uitgaande dat bepaalde kwantuminteracties geldig waren voor antiwaterstof, de onderzoekers leidden uit hun resultaten de waarden van de fijnstructuursplitsing en de Lamb-shift af. Ze ontdekten dat de afgeleide waarden consistent zijn met theoretische voorspellingen van de splitsingen in "normale" waterstof, binnen de experimentele onzekerheid van 2% voor de fijnstructuursplitsing en van 11% voor de Lamb-shift.