Измерение сверхтонкого разделения основного состояния антиводорода с точностью 4 частей на миллион

Почему атомы антивещества важны

Антивещество звучит как научная фантастика, но это реальность, которая помогает учёным проверять, действуют ли основные законы природы повсеместно и во все времена. В этом исследовании рассматривают антиводород, античастного двойника знакомого атома водорода, и измеряют крошечную разницу в энергии внутри него с рекордной точностью. Сравнивая этот тонкий «такт» антиводорода с тактом обычного водорода, исследователи ищут скрытые изъяны в фундаментальной физике и выясняют, как материя и антиматерия могут различаться — если вообще различаются.

Вглядеться в самый простой атом антивещества

Водолорд давно служит эталоном в физике: его простая структура позволяет детально тестировать квантовую теорию. Антиводород, состоящий из антинейтрона? (нет—из антипротона) и позитрона, должен вести себя точно так же при соблюдении ключевого принципа, называемого симметрией CPT. Одной из важных характеристик является сверхтонкое расщепление — небольшой энергетический зазор между различными внутренними спиновыми конфигурациями атома. Для водорода это расщепление известно с невероятной точностью, тогда как предыдущие измерения антиводорода были значительно менее точными. Работа, о которой сообщается здесь, повышает точность измерения сверхтонкого расщепления основного состояния антиводорода примерно в сто раз, доводя её до нескольких частей на миллион, и показывает, что оно совпадает с водородом в пределах существующих неопределённостей.

Как захватывают и считают хрупкие антиатомы

Эксперимент проводится в ЦЕРНе, где пучки антипротонов и облака позитронов комбинируют внутри сложной магнитной ловушки, известной как ALPHA-2. Поскольку атомы антиводорода аннигилируют при контакте с обычным веществом, их нужно удерживать в пространстве с помощью сильных магнитных полей, создающих неглубокую «магнитную чашу». Охлаждая позитроны с помощью лазерно-охлаждённых ионов, команда теперь рутинно собирает около 100 захваченных атомов антиводорода за несколько минут и затем многократно повторяет процесс. В типичном прогоне собираются образцы примерно из 1 500 антиатомов, аккуратно удерживаемых вдали от окружающей аппаратуры до тех пор, пока их намеренно не выталкивают и не дают аннигилировать в детекторе, фиксирующем их исчезновение.

Настройка микроволн для переворота крошечных спинов

Внутри ловушки внутренние спины антипротона и позитрона могут быть ориентированы по-разному, образуя четыре близко расположенных энергетических уровня. Два из них удерживаются магнитной чашей, а два других отталкиваются. Исследователи направляют в ловушку тщательно подобранные микроволны, чтобы переворачивать спин позитрона и переводить атомы из удерживаемых состояний в не удерживаемые. По мере того как частота микроволн повышается малыми шагами, наступает момент, когда атомы из самой глубины магнитной чаши выводятся наружу и аннигилируют на стенках. Каждая аннигиляция оставляет след в кремниевом детекторе, поэтому резкий рост числа событий показывает, что микроволны попали в нужную частоту для данного перехода со спиновым переворотом.

Извлечение точной частоты на фоне дрейфа полей

Реальные магниты несовершенны, и магнитное поле, формирующее чашу, медленно меняется со временем. Этот дрейф смещает резонансную частоту микроволн в течение многочасового эксперимента. Чтобы справиться с этим, команда многократно выполняет одну и ту же последовательность сканов переворота спина при двух слегка разных базовых полях и отслеживает, как кажущиеся резонансные точки сдвигаются вниз по частоте. Аппроксимируя наборы началов резонансов прямыми линиями, они определяют разницу между двумя ключевыми переходами при одном и том же эффективном поле. Эта разница равна частоте сверхтонкого расщепления. После объединения результатов и тщательной оценки статистических и систематических неопределённостей они получают значение расщепления в поле один тесла, которое согласуется с предсказаниями, основанными на водороде, в пределах нескольких килогерц.

Что это значит для нашей картины материи

Новое измерение настолько точно, что начинает затрагивать тонкие детали внутренней структуры антипротона, а не ограничиваться возможностями самого эксперимента. Оно также уточняет сопутствующие измерения расщепления в возбужденном состоянии антиводорода и величины, называемой интервалом Штернхейма, которые вместе тестируют высокопорядковые квантовые эффекты, в значительной мере компенсируя вклады структуры ядра. Пока что антиводород ведёт себя так же, как водород, в пределах досягаемости этих проверок, что поддерживает идею о том, что материя и антиматерия подчиняются одним и тем же базовым законам. Будущие улучшения в охлаждении и управлении магнитными полями могут значительно повысить точность, что потенциально раскроет крошечные различия или ещё глубже подтвердит симметрию между материей и антиматерией.

Цитирование: Akbari, R., de Araujo Azevedo, L.O., Baker, C.J. et al. Four ppm measurement of the antihydrogen ground-state hyperfine splitting. Nature 653, 1022–1026 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10556-x

Ключевые слова: антиводород, антивещество, сверхтонкое расщепление, симметрия CPT, квантовая электродинамика