Η κεντρική συσκευή ALPHA-2. Από: Διερεύνηση της λεπτής δομής του αντι-υδρογόνου

Ένας κυλινδρικός όγκος παγίδευσης για ουδέτερη αντιύλη με διάμετρο 44,35 mm και αξονικό μήκος 280 mm βρίσκεται μέσα σε πολλά ηλεκτρόδια παγίδευσης Penning και περιβάλλεται από ένα πηνίο οκτούπολης, πέντε πηνία καθρεφτών και δύο σωληνοειδή, όλα υπεραγωγικά. Ο ανιχνευτής εξόντωσης πυρήνων τριών στρωμάτων παρουσιάζεται σχηματικά με πράσινο χρώμα. Το φως λέιζερ (μοβ γραμμή) εισέρχεται από την πλευρά του ποζιτρόνιου ( ε + ) (δεξιά) και μεταδίδεται στην πλευρά αντιπροτόνου ( \ (\ bar {p} \) ) (αριστερά) μέσω MgF 2 υπεριώδους ακτινοβολίαςπαράθυρα υπερυψηλής κενού. Η δέσμη λέιζερ διασχίζει τον άξονα της παγίδας υπό γωνία 2,3 °. Οι μεταδιδόμενοι παλμοί των 121,6 nm ανιχνεύονται από έναν φωτοπολλαπλασιαστή σωλήνα ηλιακού τυφλού (PMT) στην πλευρά του αντιπρωτεΐνης. Τα μικροκύματα που χρησιμοποιούνται για την παρασκευή των διπλά πολωμένων δειγμάτων στροβιλισμού εισάγονται από την πλευρά του ποζιτρόνιου μέσω κυματοδηγού, που δείχνεται με μπλε χρώμα. Ο εξωτερικός σωληνοειδής μαγνήτης για τις παγίδες Penning δεν εμφανίζεται εδώ. THG, τρίτη γενιά αρμονικών.Αρθρο Ανοιχτή πρόσβαση Που δημοσιεύθηκε: 19 Φεβρουαρίου 2020 Διερεύνηση της λεπτής δομής του αντι-υδρογόνου Η συνεργασία ALPHA Φύση όγκου 578 , σελίδες375 - 380 ( 2020 ) Αναφέρετε αυτό το άρθρο 10k Προσβάσεις 297 Altmetric Στοιχείαμετρήσεων Αφηρημένη Στην ιστορική διάσκεψη του νησιού Shelter για τα θεμέλια της κβαντομηχανικής το 1947, ο Willis Lamb ανέφερε ένα απροσδόκητο χαρακτηριστικό στην λεπτή δομή του ατομικού υδρογόνου: ένας διαχωρισμός των καταστάσεων 2S 1/2 και 2P 1/2 1 . Η παρατήρηση αυτού του διαχωρισμού, τώρα γνωστή ως η μετατόπιση των Αρνίων, σηματοδότησε ένα σημαντικό γεγονός στην εξέλιξη της σύγχρονης φυσικής, εμπνευσμένο από άλλους να αναπτύξουν τη θεωρία της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής 2 , 3 , 4 , 5. Η κβαντική ηλεκτροδυναμική περιγράφει επίσης την αντιύλη, αλλά μόλις πρόσφατα κατέστη δυνατή η σύνθεση και παγίδευση της ατομικής αντιύλης για να διερευνηθεί η δομή της. Αντικατοπτρίζοντας την ιστορική εξέλιξη της κβαντικής ατομικής φυσικής στον εικοστό αιώνα, οι σύγχρονες μετρήσεις σε αντι-άτομα αντιπροσωπεύουν μια μοναδική προσέγγιση για τον έλεγχο της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής και των θεμελιωδών συμμετριών του τυποποιημένου μοντέλου. Εδώ αναφέρουμε τις μετρήσεις της λεπτής δομής στις καταστάσεις n = 2 του αντι-υδρογόνου, το αντίστοιχο αντιύλης του ατόμου υδρογόνου. Χρησιμοποιώντας οπτική διέγερση των 1S-2P Lyman-α μεταβάσεων σε αντι-υδρογόνο 6, προσδιορίζουμε τις συχνότητες τους σε ένα μαγνητικό πεδίο 1 tesla με ακρίβεια 16 μερών ανά δισεκατομμύριο. Υποθέτοντας τις συνηθισμένες Zeeman και τις υπερφυσικές αλληλεπιδράσεις, συμπεραίνουμε τη διάσπαση με λεπτή δομή μηδενικού πεδίου (2P 1/2 -2P 3/2 ) σε αντιϋδρογόνο. Η προκύπτουσα τιμή είναι σύμφωνη με τις προβλέψεις της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής με ακρίβεια 2%. Χρησιμοποιώντας την προηγούμενη μετρούμενη τιμή της συχνότητας μετάβασης 1S-2S 6 , 7 , διαπιστώνουμε ότι η κλασσική μετατόπιση Lamb σε αντιϋδρογόνο (2S 1/2 -2P 1/2χωρισμός σε μηδενικό πεδίο) είναι σύμφωνο με τη θεωρία σε επίπεδο 11 τοις εκατό. Οι παρατηρήσεις μας αντιπροσωπεύουν ένα σημαντικό βήμα προς τις μετρήσεις ακριβείας της λεπτής δομής και της μετατόπισης του Lamb στο φάσμα των αντιδραστηρίων όπως οι δοκιμές της συμμετρίας φορτίου-ισοτιμίας-χρόνου 8 και προς τον προσδιορισμό άλλων θεμελιωδών ποσοτήτων όπως η ακτίνα φόρτισης αντιπρωτόνης 9 , 10 , σε αυτό το σύστημα αντιύληςΑρθρο Ανοιχτή πρόσβαση Που δημοσιεύθηκε: 19 Φεβρουαρίου 2020 Διερεύνηση της λεπτής δομής του αντι-υδρογόνου Η συνεργασία ALPHA Φύση όγκου 578 , σελίδες375 - 380 ( 2020 ) Αναφέρετε αυτό το άρθρο 10k Προσβάσεις 297 Altmetric Στοιχείαμετρήσεων Αφηρημένη Στην ιστορική διάσκεψη του νησιού Shelter για τα θεμέλια της κβαντομηχανικής το 1947, ο Willis Lamb ανέφερε ένα απροσδόκητο χαρακτηριστικό στην λεπτή δομή του ατομικού υδρογόνου: ένας διαχωρισμός των καταστάσεων 2S 1/2 και 2P 1/2 1 . Η παρατήρηση αυτού του διαχωρισμού, τώρα γνωστή ως η μετατόπιση των Αρνίων, σηματοδότησε ένα σημαντικό γεγονός στην εξέλιξη της σύγχρονης φυσικής, εμπνευσμένο από άλλους να αναπτύξουν τη θεωρία της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής 2 , 3 , 4 , 5. Η κβαντική ηλεκτροδυναμική περιγράφει επίσης την αντιύλη, αλλά μόλις πρόσφατα κατέστη δυνατή η σύνθεση και παγίδευση της ατομικής αντιύλης για να διερευνηθεί η δομή της. Αντικατοπτρίζοντας την ιστορική εξέλιξη της κβαντικής ατομικής φυσικής στον εικοστό αιώνα, οι σύγχρονες μετρήσεις σε αντι-άτομα αντιπροσωπεύουν μια μοναδική προσέγγιση για τον έλεγχο της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής και των θεμελιωδών συμμετριών του τυποποιημένου μοντέλου. Εδώ αναφέρουμε τις μετρήσεις της λεπτής δομής στις καταστάσεις n = 2 του αντι-υδρογόνου, το αντίστοιχο αντιύλης του ατόμου υδρογόνου. Χρησιμοποιώντας οπτική διέγερση των 1S-2P Lyman-α μεταβάσεων σε αντι-υδρογόνο 6, προσδιορίζουμε τις συχνότητες τους σε ένα μαγνητικό πεδίο 1 tesla με ακρίβεια 16 μερών ανά δισεκατομμύριο. Υποθέτοντας τις συνηθισμένες Zeeman και τις υπερφυσικές αλληλεπιδράσεις, συμπεραίνουμε τη διάσπαση με λεπτή δομή μηδενικού πεδίου (2P 1/2 -2P 3/2 ) σε αντιϋδρογόνο. Η προκύπτουσα τιμή είναι σύμφωνη με τις προβλέψεις της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής με ακρίβεια 2%. Χρησιμοποιώντας την προηγούμενη μετρούμενη τιμή της συχνότητας μετάβασης 1S-2S 6 , 7 , διαπιστώνουμε ότι η κλασσική μετατόπιση Lamb σε αντιϋδρογόνο (2S 1/2 -2P 1/2χωρισμός σε μηδενικό πεδίο) είναι σύμφωνο με τη θεωρία σε επίπεδο 11 τοις εκατό. Οι παρατηρήσεις μας αντιπροσωπεύουν ένα σημαντικό βήμα προς τις μετρήσεις ακριβείας της λεπτής δομής και της μετατόπισης του Lamb στο φάσμα των αντιδραστηρίων όπως οι δοκιμές της συμμετρίας φορτίου-ισοτιμίας-χρόνου 8 και προς τον προσδιορισμό άλλων θεμελιωδών ποσοτήτων όπως η ακτίνα φόρτισης αντιπρωτόνης 9 , 10 , σε αυτό το σύστημα αντιύλης. Κύριος Η διάσπαση λεπτών δομών του καταστάσεων η = 2 του υδρογόνου είναι ο διαχωρισμός των επιπέδων 2Ρ 3/2 και 2Ρ 1/2 στο μηδενικό μαγνητικό πεδίο. Αυτή η διάσπαση, που προβλέπεται από τη θεωρία του Dirac της σχετικιστικής κβαντικής μηχανικής 11 , προέρχεται από την αλληλεπίδραση περιστροφής-τροχιάς μεταξύ της μη-μηδικής τροχιακής ορμητικής ορμής ( L = 1) και της περιστροφής ηλεκτρονίων. Η «κλασική» μετατόπιση των αρνιών ορίζεται ως η διάσπαση μεταξύ των καταστάσεων 2S 1/2 και 2P 1/2 στο μηδενικό πεδίο 12 και είναι μια εκδήλωση της αλληλεπίδρασης του ηλεκτρονίου με τις κβαντικές διακυμάνσεις του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου κενού, εξηγείται από την κβαντική ηλεκτροδυναμική (QED) 12, 13 , 14 . Σήμερα, είναι κατανοητό ότι η κλασική μετατόπιση Lamb στο υδρογόνο κυριαρχείται από τις επιπτώσεις QED στο επίπεδο της ενέργειας 2S, και ότι το επίπεδο 1δ λαμβάνει ακόμη πιο ισχυρή διορθώσεις QED από το επίπεδο 2S 12 , 13 . Παρόλο που οι διορθώσεις του QED στα επίπεδα n ≠ 2 τώρα αναφέρονται μερικές φορές και ως μετατοπίσεις αρνιών, σε αυτό το άρθρο περιορίζουμε τον ορισμό μας της μετατόπισης Lamb να είναι η κλασική μετατόπιση n = 2. Σε ένα μαγνητικό πεδίο, η Zeeman αποτέλεσμα προκαλεί την 2P 3/2 κράτος να χωριστεί επίσης σε τέσσερα υποεπίπεδα (επισημασμένο 2P α , 2P b , 2P c και 2P δ ), ενώ οι 2S 1/2 και 2P 1/2 δηλώνουν κάθε διαίρεση σε δύο (2S ab και 2S cd ? 2P ε και 2P στ ). Αυτά τα επίπεδα λεπτής δομής χωρίζονται περαιτέρω σε δύο υπερπληθωριστικές καταστάσεις λόγω της περιστροφής πρωτονίων (βλ. Σχήμα 1 για τα αναμενόμενα επίπεδα ενέργειας για την περίπτωση του αντι-υδρογόνου, όπου οι περιστροφές περιστρέφονται σε σχέση με εκείνες του υδρογόνου)

Οι υπολογιζόμενες ενέργειες της λεπτής δομής και οι υπερφυσικές υποπεριοχές των καταστάσεων 1S 1/2 , 2S 1/2 , 2P 3/2 και 2P 1/2 παρουσιάζονται ως λειτουργίες της αντοχής του μαγνητικού πεδίου. Οι κατευθύνσεις περιστροφής για αντιϋδρογόνο παρουσιάζονται. αντιστρέφονται για το υδρογόνο. Το κεντροειδές διαφορά ενέργειας, E 1S-2S = 2,4661 × 10 15 Hz, έχει κατασταλεί στον κάθετο άξονα. Λεπτομέρειες των ενεργειακών επιπέδων που σχετίζονται με αυτή τη δουλειά σε ένα μαγνητικό πεδίο B = 1,0329 T εμφανίζονται στα δεξιά. Κάθε κράτος έχει επισημανθεί χρησιμοποιώντας συμβατική σημείωση. Για τις καταστάσεις 1S και 2S, οι υπερπληροφορίες επισημαίνονται με δείκτες a-d κατά σειρά αύξησης της ενέργειας (βλέπε, για παράδειγμα, αναφ.7 ). δηλαδή, \ ({{\ rm {S}}} {{\ rm {a}}} = | \ uparrow \ Uparrow \ rangle \) , {{\ rm {S}}} {b}}} = | \ upArrow \ downarrow \ rangle \) , \ ({{\ rm {S}}} _ {{\ rm {c}}} = | \ downarrow \ upArrow \ rangle \) και \ ( ({left} , ↓ ή ↑) και spin spin (δεξιά ? ⇓ ή ⇑ ) αναφέρει στο όριο υψηλού πεδίου. Οι ετικέτες S ab και S cdχρησιμοποιούνται όταν οι περιστροφές αντιπροτόνων είναι μη πολωμένες. Για τις καταστάσεις 2P, τα σχίσματα λεπτής δομής επισημαίνονται με τους δείκτες a-f με τη σειρά της μείωσης της ενέργειας σε χαμηλά μαγνητικά πεδία, ενώ η υπέρμετρη διάσπαση λόγω της περιστροφής του αντιπρωτόν προσδιορίζεται από τους δείκτες + και - για την παράλληλη περιστροφή ( ⇑ ) και αντιπαράλληλα ( ⇓ ) στο μαγνητικό πεδίο στο όριο υψηλού πεδίου, αντίστοιχα. Το σύμβολο (↓, ↑) στο σχήμα δείχνει ότι οι καταστάσεις περιστροφής ποζιτρονίου αναμειγνύονται για τις καταστάσεις 2Ρ c και 2Ρ f . Τα κατακόρυφα συμπαγή βέλη δείχνουν οι μεταβάσεις λέιζερ ενός φωτονίου ανιχνεύθηκαν εδώ: 1S d → 2P F- (bold κόκκινο), 1S c → 2P f + (λεπτό κόκκινο), 1Sd → 2P c- (έντονα μπλε) και 1S c → 2P c + (λεπτό μπλε). Τα διακεκομμένα κόκκινα και μπλε βέλη υποδεικνύουν χαλάρωση στο ίδιο κατακτητό επίπεδο, το οποίο δεν είναι ανιχνεύσιμο στο παρόν πείραμα και τα διακεκομμένα μαύρα βέλη υποδεικνύουν χαλάρωση σε μη βρεγμένα επίπεδα, τα οποία είναι ανιχνεύσιμα μέσω σημάτων εξόντωσης (βλέπε κείμενο). Το έντονο μαύρο βέλος δείχνει τη μετάβαση στο μικροκύμα που χρησιμοποιείται για την εξάλειψη των ατόμων κατάστασης του 1S c για την παρασκευή ενός διπλάσιμου πολωμένου δείγματος αντι-υδρογόνου.