科学家首次测量反物质氢原子光谱

欧洲核子研究组织（CERN）的 ALPHA 项目研究人员首次测量了反原子的跃迁。虽然测量结果与普通氢原子的行为没有不同，但也许有朝一日，更精确的实验会发现两者的细微差别，揭示一种新的“物质-反物质不对称性”（matter-antimatter asymmetry）。

撰文 Edwin Cartlidge

翻译彭晓晗

该实验测量的是反氢原子（由一个正电子和一个反质子组成）的1s-2s跃迁（从基态跃迁到激发态）。这一过程对是否破坏 CPT 对称性（电荷-宇称-时间反演对称性）敏感。如果物理系统的行为在电荷、宇称和时间反演的共同作用下保持不变，我们就说该系统具有 CPT 对称性。虽然 CPT 对称性具有坚实的理论支持，但实验物理学家仍热衷于对它进行检验。原因之一在于破坏 CPT 对称性也许能够解释为什么今天的宇宙几乎完全由物质组成——即使在大爆炸期间理应产生等量的物质和反物质。

和 CERN 的其他几个反物质实验项目一样，ALPHA 从反质子减速器（Antiproton Decelerator）中取得反质子，然后使它们减速、冷却，再与来自 Na-22放射源的正电子（已经过冷却）结合，产生反氢原子。由于反氢原子具有微小的磁偶极矩，它们被陷俘在由几个磁场叠加产生的特殊的势阱中。

ALPHA 研究团队部分成员合影

逃脱磁阱

为了进行光谱测量，Hangst 与其同事将一束激光射入磁阱，并使其在两面镜子之间来回反射。经过调谐，激光的频率最终大约是普通氢原子1s-2s跃迁频率的一半。这是因为该跃迁涉及两个光子的吸收，并且其频率由于磁阱的存在而受到影响。发生跃迁后，部分反氢原子逃脱磁阱——由于吸收了第三个光子导致电离或是发生自旋翻转。通过调节激光频率甚至关掉激光，研究人员在不同情况下将上述过程重复了11次并进行测量。

他们发现当激光被调谐到1s-2s跃迁频率的一半时，平均不到60％的反原子逃脱磁阱，与预期一致。而在其他频率或关闭激光时，没有反原子（在统计误差范围内）逃脱磁阱。这表示反氢原子在预期的频率处发生跃迁，因此和普通氢原子行为一致。

虽然这一结果对 CPT 对称性没有任何威胁，但该实验显示了反原子研究领域取得的巨大技术进步：产生、冷却并捕获反氢原子。特别地，Hangst 的团队最近在两个领域取得了进展：同时捕获大量反原子，在过去一年中，数量从一个提高到14个；在磁阱周围建造谐振腔，用于提高激光强度，使其能与少量反原子发生相互作用。

开幕礼炮

ALPHA 的成果获得了 CERN 的其他反物质研究团队的赞誉。ASACUSA 实验发言人，东京大学的 Ryugo Hayano 认为该研究是个“非常重要的里程碑”。而 AEgIS 发言人 Michael Doser 则表示它是“精确测量反氢原子光谱的开幕礼炮”。

然而，所有人都一致认为，要将实验精度提高大约五个数量级，与普通氢原子的光谱测量进行比较并不容易。 Doser 表示这将带来许多挑战，包括如何在毫开尔文的温度下制备反氢原子，以便更多反氢原子可以被磁阱捕获；如何减少甚至消除磁场对反原子能级的影响。但他补充说，ALPHA 在解决技术问题方面非常高效。

Hangst 表示，在反质子减速器于明年春天再次开启后，他们下一步将利用更多不同波长的激光进行反氢原子光谱测量。

喜悦与遗憾

ATRAP 实验的发言人，哈佛大学的 Gerald Gabrielse 说：“我期待着有一天，ALPHA 或 ATRAP 最终得到完整且高精度的1s-2s共振光谱。” 他补充说，实际上他的团队比 ATHENA（ALPHA 的前身）早十年就开始研究反氢原子光谱。在喜悦的同时，他也遗憾 ATRAP 没有第一个得到结果。

不过，根据美因茨大学的 Walter Oelert 所说，提高光谱测量精度的竞争仍很激烈。虽然 ALPHA 赢在起跑线上，但无法预测哪个团队将最先达到10^-15的目标。

原文链接：

http://physicsworld.com/cws/article/news/2016/dec/19/antiatoms-yield-their-first-optical-spectrum

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http://keyanquan.net/thesis/detail/460

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论文基本信息

【题目】Observation of the 1S–2S transition in trapped antihydrogen

【作者】ALPHA collaboration

【期刊】Nature

【日期】2016.12.19

【DOI】10.1038/nature21040

【摘要】The spectrum of the hydrogen atom has played a central part in fundamental physics in the past 200 years. Historical examples of its significance include the wavelength measurements of absorption lines in the solar spectrum by Fraunhofer, the identification of transition lines by Balmer, Lyman et al., the empirical description of allowed wavelengths by Rydberg, the quantum model of Bohr, the capability of quantum electrodynamics to precisely predict transition frequencies, and modern measurements of the 1S–2S transition by H?nsch to a precision of a few parts in 10^15. Recently, we have achieved the technological advances to allow us to focus on antihydrogen—the antimatter equivalent of hydrogen. The Standard Model predicts that there should have been equal amounts of matter and antimatter in the primordial Universe after the Big Bang, but today’s Universe is observed to consist almost entirely of ordinary matter. This motivates physicists to carefully study antimatter, to see if there is a small asymmetry in the laws of physics that govern the two types of matter. In particular, the CPT (charge conjugation, parity reversal, time reversal) Theorem, a cornerstone of the Standard Model, requires that hydrogen and antihydrogen have the same spectrum. Here we report the observation of the 1S–2S transition in magnetically trapped atoms of antihydrogen in the ALPHA-2 apparatus at CERN. We determine that the frequency of the transition, driven by two photons from a laser at 243?nm, is consistent with that expected for hydrogen in the same environment. This laser excitation of a quantum state of an atom of antimatter represents a highly precise measurement performed on an anti-atom. Our result is consistent with CPT invariance at a relative precision of ~2?×?10^?10.

【链接】http://www.nature.com/nature/journal/vaap/ncurrent/full/nature21040.html

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