Физики продемонстрировали лазерное охлаждение атомов антиводорода, пойманных в магнитную ловушку. Уменьшение кинетической энергии атомов приводит к сужению спектральных контуров, что было продемонстрировано на примере 1S-2S перехода. Работа опубликована в Nature.

Лазерное охлаждение атомов и ионов играет важнейшую роль в современной атомной физике, поскольку это один из немногих способов, который позволяет понизить температуру газа ниже милликельвина. Наиболее популярный метод лазерного охлаждения — это допплеровское охлаждение.

В его основе лежит идея о том, что при поглощении фотона атомом последний приобретает импульс. Если атом при этом летит навстречу фотону, то его кинетическая энергия уменьшится, что и обеспечивает уменьшение температуры всего газа. При этом, однако, поглощение будет эффективно, если энергия фотона немного меньше, чем энергия резонансного перехода в атоме.

Последние годы допплеровское охлаждение послужило мощным инструментом, который позволил изучать вырожденные газы, формировать кубиты, создавать атомные часы и проверять фундаментальные физические законы. Однако до сих пор не удавалось применить его к охлаждению антиматерии, и, в частности, к антиводороду, который состоит из антипротона и позитрона.

Причина этого в том, что и без того сложную оптическую систему нужно как-то совместить с инфраструктурой, обеспечивающей производство и удержание антивещества. Другой проблемой становится очень малое количество производимых антиатомов по сравнению с обычными атомами, что в конечном итоге сказывается на уровне сигнала. Наконец, в случае антиводорода охлаждение нужно производить с помощью излучения с длиной волны 121,6 нанометров (линия Лайман-альфа), которая лежит в области вакуумного ультрафиолета и сильно поглощается воздухом и оптическими элементами.

В новой работе физики из восьми стран при участи Джеффри Хангста (Jeffrey Hangst) в рамках коллаборации ALPHA смогли преодолеть эти трудности и продемонстрировать допплеровское охлаждение атомов антиводорода. Сами антиатомы создавались в ловушке Пеннинга смешиванием 10⁵ антипротонов с примерно 3×10⁶ позитронов.

За один четырехминутный цикл это позволяло создать несколько десятков атомов антиводорода. Процесс повторялся несколько часов, в течение которых в ловушке собиралось около тысячи антиатомов. После приведения ансамбля антиатомов в дважды спин-поляризованное состояние (по антипротону и позитрону), к газу подводилось излучение линии Лайман-альфа, отстроенное несколько ниже (охлаждение) либо выше (нагрев) одного их резонансов в 1S-2P переходе. Свойства получавшегося газа определялись спектроскопически, а также по аннигиляции антиатомов.

По результатам измерений и сравнения их с численной симуляцией физики сделали вывод о том, что кинетическая энергия антиатомов действительно уменьшается. При этом изменения касаются не только ее продольной компоненты (то есть той, которая определяется проекцией скорости атома на направление движения фотона), но и поперечных компонент, хоть и в меньшей степени.

Этого удалось достичь путем подбора формы магнитного поля ловушки, формирующего ангармонический потенциал для антивещества. Авторы отмечают, что распределение атомов антиводорода в этом случае оказывается неравновесным, однако если усреднить кинетическую энергию по всем направлениям, то равновесный газ с такой энергией имел бы температуру 50 милликельвин для самого эффективного протокола эксперимента.

Чтобы явно продемонстрировать факт охлаждения антиатомов, авторы измерили у них спектр 1S-2S перехода в охлажденном и неохлажденном состояниях. Для этого в камеру с образцом заводились два встречных лазерных пучка с длинной волны 243,1 нанометров, после чего измерялись характеристики аннигиляции. Физики обнаружили сужение спектральной линии, которое не только доказывает сам факт охлаждения, но и подтверждает обмен между продольной и поперечной компонентами кинетической энергии.

Спектры 1S-2S перехода охлажденных (зеленый) и неохлажденных (красный) атомов антиводорода. Оба спектра нормированы на единицу на максимуме и аппроксимированы с помощью численного моделирования. / C. J. Baker et al. / Nature, 2021

Авторы ожидают, что полученные результаты могут быть улучшены, если увеличить частоту подачи и мощность лазерного импульса, а также менять со временем частоту лазера и конфигурацию магнитного поля. Развитая ими техника позволит подробнее изучить тонкие фундаментальные эффекты в атомах антиводорода, такие, как тонкая структура или лэмбовский сдвиг, а также дать новый толчок к поискам нарушения CPT-симметрии.