Observation of the 1S-2P Lyman-α transition in antihydrogen

บทคัดย่อ

ในปี 1906, ธีโอดอร์ ไลแมน (Theodore Lyman) ได้ค้นพบอนุกรมการเลื่อนชั้นพลังงานที่ได้ชื่อเรียกตามชื่อของเขาในย่านอัลตราไวโอเลตไกลสุดของสเปกตรัมอะตอมไฮโดรเจน รูปแบบในสเปกตรัมไฮโดรเจนช่วยในการก่อร่างสร้างทฤษฎีใหม่ที่ชื่อว่ากลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งปัจจุบันนี้เราใช้อธิบายโลกในระดับอะตอม นับจากวันนั้น การศึกษาที่เกี่ยวข้องกับเส้น Lyman-α — การเลื่อนชั้นพลังงาน 1S–2P ที่ความยาวคลื่น 121.6 นาโนเมตร— ก็กลายเป็นส่วนสำคัญในวิชาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ ในฐานะหนึ่งในการเลื่อนชั้นพลังงานระดับอะตอมขั้นพื้นฐานที่สุดในจักรวาล เป็นต้นว่า นักดาราศาสตร์ได้ใช้การเลื่อนชั้นพลังงานนี้มาอย่างยาวนาน ในการศึกษาตัวกลางระหว่างแกแลคซีและการทดสอบโมเดลทางจักรวาลวิทยาโดยใช้ ‘Lyman-α forest’ ของเส้นการดูดกลืนที่ตำแหน่งเลื่อนไปทางแดงต่างๆ ในงานวิจัยนี้เราได้รายงานผลการสังเกตการเลื่อนชั้นพลังงานที่เส้น Lyman-α ในอะตอมแอนไทไฮโดรเจน ซึ่งเป็นปฏิสสารคู่กับไฮโดรเจน การเลื่อนชั้นพลังงาน 1S–2P ถูกกระตุ้นในแอนไทไฮโดรเจนที่ถูกกักไว้ด้วยสนามแม่เหล็ก โดยใช้การเปล่งแสงเลเซอร์แบบพัลส์ระดับนาโนวินาทีชนิดลำรังสีแคบ (narrow-line-width) ความถี่ในการเปลี่ยนชั้นพลังงานที่ค่าสนามแม่เหล็ก 1.033 tesla ถูกกำหนดให้มีค่า 2,466,051.7 ± 0.12 gigahertz (ความไม่แน่นอน 1σ) และกำหนดให้มีค่าความแม่นยำ 5 × 10^−8 ตามการทำนายในกรณีไฮโดรเจน โดยเมื่อเปรียบเทียบกับสมบัติของแอนไทไฮโดรเจนกับคู่สสารของมันที่รู้จักกันดี (ไฮโดรเจน) ก็จะได้การทดสอบสมมาตรพื้นฐานระหว่างสสารกับปฏิสสารที่แม่นยำ นอกเหนือจากโครงสร้างละเอียดสุดระดับสถานะพื้น และการเลื่อนชั้นพลังงาน 1S–2S ที่เพิ่งสังเกตพบนี้ การเลื่อนชั้นพลังงานที่ Lyman-α ยังสามารถทำให้เกิดการทำความเย็นด้วยเลเซอร์ (laser cooling, เทคนิคการทำความเย็นเพื่อลดอุณหภูมิของอนุภาคระดับอะตอมหรือระดับโมเลกุลลงจนใกล้ศูนย์องศาสัมบูรณ์) กับแอนไทไฮโดรเจนด้วย ซึ่งทำให้ได้ตัวอย่างอะตอมของปฏิสสารสำหรับใช้ในการวัดความโน้มถ่วงและสเปคโทรสโกปีที่แม่นยำ นอกจากการสังเกตการเลื่อนชั้นพลังงานพื้นฐานนี้ งานวิจัยนี้ยังแสดงขั้นตอนทางเทคนิคที่ชัดเจนในเรื่องการทำความเย็นด้วยเลเซอร์กับแอนไทไฮโดรเจน และการต่อยอดสเปคโทรสโกปีของปฏิสสารไปยังเรื่องสถานะทางควอนตัมที่มีผลต่อโมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจรอีกด้วย