Фізики з колаборації ALPHA вперше спостерігали в антиводні позитронний перехід між основним і першим збудженим енергетичними рівнями. Цей перехід відповідає першій спектральній лінії в серії Лаймана. Вчені виміряли частоту цього переходу, яка з точністю до шостого знака в п'ять частин на сто мільярдів збіглася зі значенням для звичайного водню. Результати проведеного експерименту можна буде використовувати для поліпшення методів лазерного охолодження антивідництва і подальшого дослідження його властивостей, пишуть вчені в.
Основна серія ліній в електромагнітному спектрі звичайного водню - серія Лаймана - знаходиться в ультрафіолетовому діапазоні і з'являється через переходи електронів між основним енергетичним рівнем (1S) і одним із збуджених рівнів. Електронні переходи, пов'язані з цими спектральними лініями, вивчені з дуже високою точністю: наприклад, частота переходу з рівня 1s на рівень 2s для водню зараз визначена з точністю до 16-го знака після коми.
Така ж серія спектральних ліній спостерігається і в антиводороді - аналозі водню, в якому місце електрону займає позитрон, а місце протона - антипротон. Вперше побачити її вдалося фізикам з колаборації ALPHA ще наприкінці 2016 року. Спектри антиводню вчені використовують для перевірки CPT-симетрії, однієї з фундаментальних властивостей сучасної фізичних теорій. Згідно з цим принципом, частинки і античастинки при одночасній зміні заряду, обігу часу і заміни «право» на «ліво», не відрізняються один від одного. Це призводить до того, що енергетичні спектри речовини та антивіщення повинні збігатися. Потім підтвердити цей принцип вдалося в 2018 році, збільшивши точність вимірювань дослідивши вже надтонке розщеплення позитронних рівнів.
Цього разу фізикам з колаборації ALPHA під керівництвом Макото Фудзівари (Makoto C. Fujiwara) вдалося зафіксувати в антиводороді позитронний перехід з рівня 1S на рівень 2P, відповідний першій лінії в серії Лаймана (довжина хвилі цієї лінії становить 121,6 нанометра). У разі звичайної речовини вивчення цього переходу - першого спектрального переходу в найпростішому атомі - зіграло важливу роль як при розвитку фізики, так і в астрономії: наприклад, дослідження лісу ліній Лайман-альфа, що утворюється в результаті багаторазового повторення лінії при різному червоному зміщенні, допомогло перевірити існуючі космологічні моделі.
Для збудження подібного переходу в антиводні його атоми були зафіксовані за допомогою магнітної пастки (величина використаного поля склала 1,033 тесла). За один чотирихвилинний цикл з антипротонів і позитронів утворюється близько 50 тисяч атомів антиводню, проте лише 10-20 з них мають енергію, необхідну для вимірювання. Завдяки кільком нововведенням в систему стабілізації антивідництва (зокрема, удосконалення підходів управління плазмою і збільшення швидкості захоплення антиатомів) після багаторазового повторення таких циклів через кілька годин у пастці накопичилося близько 500 атомів антиводню, які потім були використані для спектрометричних вимірювань.
Після цього за допомогою наносекундних лазерних імпульсів з частотою 65 мегагерц вчені переводили позитрони в атомах антиводню в збуджений стан. В результаті дослідникам вдалося зафіксувати 966 позитронних переходів, що відповідають лініям Лайман-альфа. Частота виміреного переходу склала 2 466 051 гігагерц, що збігається з теоретичними передбаченнями з точністю 5 − 10 ‑ 8. Таким чином, ніяких відхилень від принципу CPT-симетрії і в цьому експерименті зафіксовано не було.
Крім того, автори роботи вивчили розподіл кінетичної енергії захоплених в пастку антиатомів і показали, що при 20 кельвінах вони не знаходяться в рівновазі з хмаром позитронів, проте їх властивості описуються в рамках використовуваної теоретичної моделі за допомогою комп'ютерного моделювання. Потім у майбутньому ці дані можна використовувати для вдосконалення методів лазерного охолодження антивідництва.
За словами авторів роботи, отриманий результат, поряд з попередніми даними про частоту 1S - 2S переходу і надтонку структуру енергетичного спектру, показує можливість лазерного охолодження атома антиводню, за допомогою якого в подальшому можна буде більш детально досліджувати спектроскопічні властивості антивіщення і проводити гравітаційні вимірювання.
Отримання антивіщення і робота з ним залишається вкрай непростим експериментальним завданням. Про те, які труднощі виникають, наприклад, при транспортуванні антивідництва до експериментальних установок, ви може прочитати в нашому блозі. А детальніше про важливість дослідження антивіщення для сучасної фізики ми писали в матеріалі «З точністю до навпаки».