反氢超精细分裂测量创下新精度纪录

欧洲核子研究中心ALPHA合作组近日完成一项新的反氢基态超精细分裂测量。结果显示，反氢与普通氢的超精细分裂在百万分之四的误差范围内完全一致，测量精度较此前实验提高了两个数量级。

反氢驯服者：来自加拿大卡尔加里大学的ALPHA团队成员。后排从左至右：Pouya Heidari、Reece Stefanyshyn、Abbygale Swadling、Filobateer Ghaly、Sean Wilson和Alberto Jesus Uribe Jimenez。前排：Jay Suh(左)和Timothy Friesen。(图片由Jay Suh提供)

反氢由一个反质子和一个正电子结合而成，是最简单的反物质原子之一。按照粒子物理学标准模型，物质粒子与对应的反物质粒子除电荷和磁性相反外，其他性质应完全相同。然而，宇宙中反物质含量远少于物质，这一现象仍是现代物理学的重要未解问题。对反氢进行高精度测量，被认为是寻找物质与反物质潜在细微差异的重要途径。

该实验在欧洲核子研究中心反质子减速器设施中的ALPHA-2反氢装置上进行。为避免反氢与普通物质接触后发生湮灭，研究人员将反物质约束在高真空环境下的圆柱形彭宁—马尔姆伯格阱中，并利用强超导磁体使其悬浮在阱内。

此次研究聚焦于反氢的超精细分裂。该现象源于反质子与正电子自旋之间的磁相互作用，会使反氢原子中正电子的基态分裂为四个子能级。ALPHA团队通过施加28 GHz至31 GHz频段的微波脉冲，诱导相关能级之间发生正电子自旋翻转跃迁，并据此计算超精细分裂能。

加拿大卡尔加里大学研究人员蒂莫西·弗里森表示，团队在1特斯拉磁场下将反氢超精细分裂测量精度推进至4 ppm，使反氢与普通氢之间的物质—反物质对称性比较达到目前最精确水平之一。

研究人员指出，尽管这一精度已足以进入对反质子结构敏感的测量范围，但与普通氢相关测量相比仍有差距。目前结果未显示反氢与氢之间存在差异，现有物理模型仍与实验结果相符。团队下一步计划尝试诱导反质子自旋翻转跃迁，并结合反氢样品激光冷却，以降低磁场不均匀性和光谱线宽带来的误差，进一步提升测量精度。