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歐洲核子研究中心（CERN）研究首次對反氫（氫的反物質(zhì)對應(yīng)物）能量結(jié)構(gòu)中某些量子效應(yīng)的測量，這些量子效應(yīng)已知存在于（正）物質(zhì)中，研究它們可以揭示物質(zhì)和反物質(zhì)行為之間尚未觀察到的差異，其研究成果現(xiàn)在發(fā)表在《自然》期刊上的一篇論文中，研究結(jié)果表明：這些最初的測量結(jié)果與對“正”氫的影響理論預(yù)測是一致的，并為更精確地測量這些和其他基本量鋪平了道路。

歐洲核子研究中心阿爾法實驗發(fā)言人杰弗里·漢斯特(Jeffrey Hangst)表示：發(fā)現(xiàn)正反物質(zhì)之間的任何不同，都將動搖粒子物理標準模型的基礎(chǔ)，而這些新的測量結(jié)果探索了反物質(zhì)相互作用的各個方面（比如蘭姆位移），這是物理學(xué)家長期以來一直期待解決的問題。下一項任務(wù)是使用最先進的激光冷卻技術(shù)冷卻大量反氫（反物質(zhì)）樣品。這些技術(shù)將改變反物質(zhì)研究，并能對物質(zhì)和反物質(zhì)進行前所未有的高精度比較。

阿爾法團隊通過將歐洲核子研究中心（CERN）反質(zhì)子減速器提供的反質(zhì)子與反電子（通常稱為“正電子”）結(jié)合起來，產(chǎn)生反氫原子。然后將反氫原子限制在超高真空中的磁阱中，從而防止反氫原子與（正）物質(zhì)接觸并湮滅。然后，激光照射到被捕獲的原子上，以測量它們的光譜響應(yīng)。

這項技術(shù)有助于測量已知的量子效應(yīng)，如所謂的精細結(jié)構(gòu)和蘭姆位移，這些效應(yīng)對應(yīng)于原子在某些能級上的微小分裂，并在這項研究中首次在反氫原子中進行了測量。

該團隊之前曾使用這種方法測量反氫的其他量子效應(yīng)，最新是對萊曼-阿爾法轉(zhuǎn)變的測量。這種精細結(jié)構(gòu)是在一個多世紀前用原子氫測量的，并為引入描述基本帶電粒子之間電磁相互作用強度的自然基本常數(shù)奠定了基礎(chǔ)。

蘭姆位移是大約70年前在同一系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的，是量子電動力學(xué)（物質(zhì)和光如何相互作用的理論）發(fā)展中的一個關(guān)鍵因素。蘭姆位移測量為威利斯·蘭姆贏得了1955年的諾貝爾物理學(xué)獎，1947年在著名的庇護島會議上報道了這一測量結(jié)果，這是戰(zhàn)后美國物理界領(lǐng)袖首次有機會聚集在一起。

理論和技術(shù)說明

精細結(jié)構(gòu)和蘭姆位移都是原子在某些能級(或譜線)上的小分裂，可以用光譜學(xué)來研究。在沒有磁場的情況下，氫的第二能級精細結(jié)構(gòu)分裂是所謂的2P3/2和2P1/2能級之間的分離。分裂是由原子的電子速度和其本征(量子)旋轉(zhuǎn)之間的相互作用引起。“經(jīng)典的”蘭姆位移是2S1/2和2P1/2能級之間的分裂，也是在沒有磁場的情況下，這是真空中虛光子進出時的量子漲落對電子影響的結(jié)果。

在新研究中，阿爾法團隊通過誘導(dǎo)和研究在磁場為1特斯拉情況下反氫最低能級與2P3/2和2P1/2能級之間的躍遷，確定了精細結(jié)構(gòu)分裂和蘭姆位移。使用之前測量的1S-2S躍遷頻率值，并假設(shè)某些量子相互作用對反氫是有效的，研究人員從研究結(jié)果中推斷出精細結(jié)構(gòu)分裂和蘭姆位移的值。發(fā)現(xiàn)，在精細結(jié)構(gòu)分裂的實驗不確定度為2%，蘭姆位移的實驗不確定度為11%范圍內(nèi)，推斷的值與“正”氫中分裂的理論預(yù)測一致。