CERN oznámil prvé merania určitých kvantových efektov v antihmote

Experiment ALPHA v hale spomaľovača antihmoty (Antimatter Decelerator) v CERN-e, foto CERN

Kolaborácia ALPHA v CERN-e oznámila prvé merania určitých kvantových efektov v energetickej štruktúre antivodíka, ktorý predstavuje antihmotu k vodíku. Je známe, že tieto kvantové efekty existujú v hmote a ich štúdium by mohlo odhaliť doteraz nepozorované rozdiely medzi správaním hmoty a antihmoty. Výsledky opísané v článku, ktorý bol uverejnený dnes v časopise Nature, ukazujú, že tieto prvé merania sú v súlade s teoretickými predpoveďami efektov v normálnom vodíku a pripravujú cestu na presnejšie meranie týchto a ďalších základných veličín.

Nájdenie akéhokoľvek rozdielu medzi týmito dvomi formami hmoty by otriaslo základmi štandardného modelu časticovej fyziky. Tieto nové merania testujú vlastnosti interakcie antihmoty – ako je Lambov posun – na ktoré sme sa dlho tešili, hovorí Jeffrey Hangst, hovorca experimentu ALPHA.

Ďalším naším cieľom je chladenie veľkých vzoriek antivodíka pomocou najmodernejších techník chladenia laserom, ktoré sa opierajú o súčasnú prácu. Tieto techniky zmenia štúdium antihmoty a umožnia bezprecedentne vysoko presné porovnania medzi hmotou a antihmotou.

Tím ALPHA vytvára atómy antivodíka tým, že viaže antiprotóny dodávané spomaľovačom antiprotónov (Antiproton Decelerator) v CERN-e s antielektrónmi, bežne nazývanými pozitróny. Potom ich uväzní v magnetickej pasci vo veľmi vysokom vákuu, čo im bráni v kontakte s hmotou a následnej anihilácii. Na zachytené atómy potom zasvieti laserové svetlo, aby sa zmerala ich spektrálna odozva. Táto technika pomáha merať známe kvantové efekty, ako je takzvaná jemná štruktúra a Lambov posun, ktoré zodpovedajú malému štiepeniu v určitých energetických hladinách atómu a v tejto štúdii boli prvýkrát merané v atóme antivodíka. Tím predtým použil tento prístup na meranie ďalších kvantových efektov v antivodíku, z ktorých posledným výsledkom bolo meranie prechodu Lyman-alpha.

Jemná štruktúra bola meraná v atóme vodíka pred viac ako sto rokmi a položila základy pre zavedenie základnej konštanty prírody, ktorá opisuje silu elektromagnetickej interakcie medzi nabitými elementárnymi časticami. Lambov posun bol objavený v rovnakom systéme asi pred 70 rokmi a bol kľúčovým prvkom vo vývoji kvantovej elektrodynamiky, teórie interakcie hmoty a svetla.

Meranie Lambovho posunu, za ktoré získal Nobelovu cenu za fyziku Willis Lamb v roku 1955, bolo zverejnené na slávnej konferencii na ostrove Shelter Island v roku 1947 – prvej dôležitej príležitosti, na ktorej sa po vojne mohli zhromaždiť vedúci predstavitelia americkej fyzikálnej komunity.

Technická poznámka:
Jemná štruktúra aj Lambov posun sú malé štiepenia v určitých energetických úrovniach (alebo spektrálnych čiarach) atómu, ktoré sa dajú študovať spektroskopicky. Jemná štruktúra štiepenia druhej energetickej hladiny vodíka je oddelenie medzi takzvanými hladinami 2P3 / 2 a 2P1 / 2 v neprítomnosti magnetického poľa. Štiepenie je spôsobené interakciou medzi rýchlosťou elektrónu atómu a jeho vnútornou (kvantovou) rotáciou. Klasický Lambov posun je štiepenie medzi hladinami 2S1 / 2 a 2P1 / 2 rovnako v neprítomnosti magnetického poľa. Je to výsledok účinku kvantových fluktuácií spojených s virtuálnymi fotónmi, ktoré sa objavujú a hneď miznú vo vákuu, na elektrón.

Vo svojej novej štúdii tím ALPHA určil jemnú štruktúru štiepenia a Lambov posun indukovaním a štúdiom prechodov medzi najnižšou úrovňou energie antivodíka a hladinami 2P3 / 2 a 2P1 / 2 v prítomnosti magnetického poľa 1 Tesla. Použitím hodnoty frekvencie prechodu 1S – 2S, ktorú predtým zmerali a za predpokladu, že určité kvantové interakcie platia pre antivodík, vedci z výsledkov odvodili hodnoty jemnej štruktúry štiepenia a Lambovho posunu. Zistili, že odvodené hodnoty sú konzistentné s teoretickými predpoveďami štiepenia v bežnom vodíku s experimentálnou neurčitosťou 2 % pre jemnú štruktúru štiepenia a 11 % pre Lambov posun.

Ivan Melo
European Particle Physics Communication Network

Komentáre