A colaboração ALPHA no CERN relatou as primeiras medições de certos efeitos quânticos na estrutura de energia do anti-hidrogênio, a contraparte de antimatéria do hidrogênio. Sabe-se que esses efeitos quânticos existem na matéria, e estudá-los poderia revelar diferenças ainda não observadas entre o comportamento da matéria e da antimatéria. Os resultados, descrito em um artigo publicado hoje na revista Natureza , mostram que essas primeiras medições são consistentes com as previsões teóricas dos efeitos no hidrogênio "normal", e pavimenta o caminho para medições mais precisas dessas e de outras grandezas fundamentais.

"Encontrar qualquer diferença entre essas duas formas de matéria abalaria as bases do Modelo Padrão da física de partículas, e essas novas medições investigam os aspectos da interação da antimatéria - como o deslocamento de Lamb - que há muito esperamos tratar, "diz Jeffrey Hangst, porta-voz da experiência ALPHA.

"O próximo item em nossa lista é o resfriamento de grandes amostras de anti-hidrogênio usando técnicas de resfriamento a laser de última geração. Essas técnicas transformarão os estudos de antimatéria e permitirão comparações de alta precisão sem precedentes entre matéria e antimatéria."

A equipe ALPHA cria átomos de anti-hidrogênio ligando antiprótons fornecidos pelo Decelerador de Antiprótons do CERN com antielétrons, mais comumente chamados de "pósitrons". Em seguida, ele os confina em uma armadilha magnética em um vácuo ultra-alto, o que os impede de entrar em contato com a matéria e aniquilar. A luz do laser é então direcionada para os átomos aprisionados para medir sua resposta espectral. Esta técnica ajuda a medir efeitos quânticos conhecidos, como a chamada estrutura fina e o deslocamento de Lamb, que correspondem a pequenas divisões em certos níveis de energia do átomo, e foram medidos neste estudo no átomo de anti-hidrogênio pela primeira vez. A equipe já usou essa abordagem para medir outros efeitos quânticos do anti-hidrogênio, o mais recente sendo uma medição da transição Lyman-alfa.

A estrutura fina foi medida em hidrogênio atômico há mais de um século, e lançou as bases para a introdução de uma constante fundamental da natureza que descreve a força da interação eletromagnética entre partículas carregadas elementares. O deslocamento de Lamb foi descoberto no mesmo sistema há cerca de 70 anos e foi um elemento-chave no desenvolvimento da eletrodinâmica quântica, a teoria de como a matéria e a luz interagem.

A medição do deslocamento de Lamb, que ganhou a Willis Lamb o Prêmio Nobel de Física em 1955, foi relatado em 1947 na famosa conferência Shelter Island - a primeira oportunidade importante para os líderes da comunidade física americana se reunirem após a guerra.

Nota técnica

Tanto a estrutura fina quanto o deslocamento de Lamb são pequenas divisões em certos níveis de energia (ou linhas espectrais) de um átomo, que pode ser estudado com espectroscopia. A divisão de estrutura fina do segundo nível de energia do hidrogênio é uma separação entre os chamados 2P _3/2 e 2P _1/2 níveis na ausência de um campo magnético. A divisão é causada pela interação entre a velocidade do elétron do átomo e sua rotação intrínseca (quântica). O "clássico" Lamb shift é a divisão entre o 2S _1/2 e 2P _1/2 níveis, também na ausência de um campo magnético. É o resultado do efeito sobre o elétron das flutuações quânticas associadas aos fótons virtuais surgindo e desaparecendo no vácuo.

Em seu novo estudo, a equipe ALPHA determinou a divisão de estrutura fina e o deslocamento de Lamb induzindo e estudando as transições entre o nível de energia mais baixo do anti-hidrogênio e o 2P _3/2 e 2P _1/2 níveis na presença de um campo magnético de 1 Tesla. Usando o valor da frequência de uma transição que eles mediram anteriormente, a transição 1S – 2S, e assumindo que certas interações quânticas eram válidas para anti-hidrogênio, os pesquisadores inferiram de seus resultados os valores da divisão de estrutura fina e do deslocamento de Lamb. Eles descobriram que os valores inferidos são consistentes com as previsões teóricas das divisões no hidrogênio "normal", dentro da incerteza experimental de 2% para a divisão de estrutura fina e de 11% para o deslocamento de Lamb.