La collaborazione ALPHA al CERN ha riportato le prime misurazioni di alcuni effetti quantistici nella struttura energetica dell'antiidrogeno, la controparte di antimateria dell'idrogeno. È noto che questi effetti quantistici esistono nella materia, e studiarli potrebbe rivelare differenze non ancora osservate tra il comportamento della materia e dell'antimateria. I risultati, descritto in un articolo pubblicato oggi sulla rivista Natura , mostrano che queste prime misurazioni sono coerenti con le previsioni teoriche degli effetti nell'idrogeno "normale", e aprire la strada a misurazioni più precise di queste e altre grandezze fondamentali.

"Trovare una qualsiasi differenza tra queste due forme di materia scuoterebbe le fondamenta del Modello Standard della fisica delle particelle, e queste nuove misurazioni sondano aspetti dell'interazione con l'antimateria, come lo spostamento di Lamb, che non vedevamo l'ora di affrontare da tempo, "dice Jeffrey Hangst, portavoce dell'esperimento ALPHA.

"Il prossimo passo nella nostra lista è il raffreddamento di grandi campioni di antiidrogeno utilizzando tecniche di raffreddamento laser all'avanguardia. Queste tecniche trasformeranno gli studi sull'antimateria e consentiranno confronti di precisione senza precedenti tra materia e antimateria".

Il team di ALPHA crea atomi di antiidrogeno legando gli antiprotoni forniti dall'Antiproton Decelerator del CERN con gli antielettroni, più comunemente chiamati "positroni". Quindi li confina in una trappola magnetica in un vuoto ultra-alto, che impedisce loro di entrare in contatto con la materia e di annichilirsi. La luce laser viene quindi proiettata sugli atomi intrappolati per misurare la loro risposta spettrale. Questa tecnica aiuta a misurare effetti quantistici noti come la cosiddetta struttura fine e il Lamb shift, che corrispondono a minuscole scissioni in certi livelli energetici dell'atomo, e sono stati misurati in questo studio nell'atomo di antiidrogeno per la prima volta. Il team ha precedentemente utilizzato questo approccio per misurare altri effetti quantistici nell'antiidrogeno, l'ultima è una misurazione della transizione Lyman-alfa.

La struttura fine è stata misurata in idrogeno atomico più di un secolo fa, e pose le basi per l'introduzione di una costante fondamentale della natura che descrive la forza dell'interazione elettromagnetica tra particelle elementari cariche. Il Lamb shift è stato scoperto nello stesso sistema circa 70 anni fa ed è stato un elemento chiave nello sviluppo dell'elettrodinamica quantistica, la teoria di come la materia e la luce interagiscono.

La misurazione del Lamb-shift, che vinse il Premio Nobel per la Fisica a Willis Lamb nel 1955, fu riportato nel 1947 alla famosa conferenza di Shelter Island, la prima importante opportunità di raduno per i leader della comunità fisica americana dopo la guerra.

Nota tecnica

Sia la struttura fine che il Lamb shift sono piccole scissioni in certi livelli energetici (o righe spettrali) di un atomo, che possono essere studiati con la spettroscopia. La scissione a struttura fine del secondo livello energetico dell'idrogeno è una separazione tra le cosiddette 2P _3/2 e 2P _1/2 livelli in assenza di campo magnetico. La scissione è causata dall'interazione tra la velocità dell'elettrone dell'atomo e la sua rotazione intrinseca (quantica). Il "classico" Lamb shift è la scissione tra le 2S _1/2 e 2P _1/2 livelli, anche in assenza di campo magnetico. È il risultato dell'effetto sull'elettrone delle fluttuazioni quantistiche associate ai fotoni virtuali che entrano ed escono dall'esistenza nel vuoto.

Nel loro nuovo studio, il team ALPHA ha determinato la scissione della struttura fine e lo spostamento di Lamb inducendo e studiando le transizioni tra il livello energetico più basso di antiidrogeno e il 2P _3/2 e 2P _1/2 livelli in presenza di un campo magnetico di 1 Tesla. Usando il valore della frequenza di una transizione che avevano precedentemente misurato, la transizione 1S-2S, e supponendo che certe interazioni quantistiche fossero valide per l'antiidrogeno, i ricercatori hanno dedotto dai loro risultati i valori della scissione della struttura fine e del Lamb shift. Hanno scoperto che i valori dedotti sono coerenti con le previsioni teoriche delle scissioni nell'idrogeno "normale", entro l'incertezza sperimentale del 2% per la scissione a struttura fine e dell'11% per il Lamb shift.