Nature：教科书级别进展——反氢n=2能级结构的测量！

初学者

2020-02-21

在1947年历史性的“量子力学基础”Shelter Island会议上，威利斯·尤金·兰姆（Willis Eugene Lamb，美国物理学家，1955年获诺贝尔物理学奖）报告了氢原子精细结构一个出人意料的特征：2s_1/2和2p_1/2能级并不吻合，而是存在一个能极差（劈裂）。这种现象后来被称为兰姆位移，其发现直接促使了量子电动力学的诞生。

量子电动力学的研究对象也可以是反物质，但直到最近研究人员才成功制造并捕获原子反物质，并在此基础上探测其结构。反原子的现代测量实验是测试量子电动力学和标准模型基本对称性的独特方法，也承接着20世纪量子原子物理学的一系列历史性进展。

近日，加拿大TRIUMF国家实验室M. C. Fujiwara，丹麦奥胡斯大学J. S. Hangst，加拿大英属哥伦比亚大学T. Momose等人报道了反氢n=2能级精细结构的实验测量（反氢：氢原子的反物质）。

本文要点：

1）通过光激发反氢中1s-2p赖曼-α转变，作者确定了其在1T磁场下的转变频率，对应测试精度则达到了十亿分之16。

2）在假定标准塞曼效应和超精细相互作用存在的条件下，作者推算了反氢中的零场精细结构劈裂情况（2p_1/2–2p_3/2），所得结果与量子电动力学理论的预测相一致（精度2%）。

3）同时，作者通过采用之前相关研究测定的1s-2s转变频率，发现反氢中的经典兰姆位移（零场下的2s_1/2–2p_1/2劈裂）也与理论预测一致。

总之，该研究标志着反氢精细结构的实验测量迈出了重要一步，也为其他反物质的结构测定提供了重要参考。

图1. 反氢能级结构的预测。

图2. 反氢1s-2p精细结构谱。

图3. 转变频率比较：反氢原子与氢原子。

M. Ahmadi et al. The ALPHA Collaboration. Investigation of the fine structure of antihydrogen. Nature, 2020.

DOI: 10.1038/s41586-020-2006-5

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2006-5#Ack1