反氢基态超精细分裂的4 ppm精密测量

《Nature》：Four ppm measurement of the antihydrogen ground-state hyperfine splitting

　　

氢原子是量子理论基础、演化与前沿研究的一个基准体系。该原子的关键谱线已经被测定到极高精度。研究人员的工作聚焦于反氢，即氢的反物质对应体。通过对这两类原子体系进行高精度比较，可以检验自然界的基本对称性，例如电荷共轭—宇称反演—时间反演（CPT）对称性。近期，对俘获反氢开展的1S–2S谱学测量已经达到万亿分之一量级的相对精度。然而，对反质子内部结构敏感的基态超精细分裂，此前仅被测量到400 ppm。本文报告了对反氢基态超精细分裂能a_1S的4 ppm测量，使当前最高精度提升了两个数量级。基于约24,000个反原子的微波谱学实验，研究人员在1 T磁场中测得 \({a}_{1{\rm{S}}}/h=\mathrm{1,420,404.8}\pm 1.1(\mathrm{stat.})\pm 5.6\,(\mathrm{sys.})\,\text{kHz}\)，与氢的预期结果一致。在这一精度水平下，该测量已对反质子的内部结构敏感，其贡献约为40 ppm，并正在接近现有理论分析的极限。本文所报告的精度提升，来源于磁俘获场控制、稳定化与表征的显著进步，反原子自旋态操控能力的提升，以及反氢累积速率的改善。

该研究发表于《Nature》，围绕反氢基态超精细分裂这一高精度谱学问题展开，目标是通过反氢与氢的频率比较检验电荷共轭—宇称反演—时间反演（CPT）对称性，并进一步探测反质子的内部结构效应。氢原子基态超精细结构测量曾是现代量子电动力学（QED，量子电动力学）发展的里程碑，而在反氢体系中，对应测量不仅构成对CPT对称性的关键检验，也能与1S–2S双光子无多普勒谱学形成互补。与1S–2S跃迁频率相比，基态超精细分裂对反质子结构更为敏感，其理论修正中包括Zemach修正与核极化率等贡献，量级约为40 ppm。此前反氢基态超精细分裂精度仅达400 ppm，已成为限制2S超精细分裂推断精度以及Sternheim区间 \((8a_{2S}-a_{1S})/h\) 研究的主要瓶颈，因此有必要显著提升这一测量能力。

研究人员在CERN反质子减速器设施，利用ALPHA-2装置开展实验。实验首先在Penning–Malmberg阱中俘获并冷却反质子（\(\bar{\rm p}\)）与正电子（e⁺）等离子体，经径向压缩和混合后合成反氢。生成的反氢处于磁势阱中，低场寻求态可被俘获，而高场寻求态会迅速逸出并湮灭。通过对正电子进行与激光冷却铍离子的协同冷却，实验显著降低了正电子等离子体温度，使单次制备可获得约100个被俘获反原子，并能通过重复循环在约1 h内累积约1,500个反原子样品。基于这种高累积效率，研究人员得以对总计约24,000个反原子实施微波谱学测量，将统计灵敏度推进到新的水平。

研究采用的关键技术方法主要包括：其一，在ALPHA-2磁俘获装置中构造并主动稳定平坦化轴向磁场分布，通过直接电流电流互感器（DCCT）反馈实现超导线圈电流精密控制；其二，利用电子回旋共振（ECR）原位测绘并监测陷阱轴向磁场及其随时间的漂移；其三，对累积俘获的反氢实施28–31 GHz微波扫描，顺序驱动 \(|c\rangle \to |b\rangle\) 与 \(|d\rangle \to |a\rangle\) 正电子自旋翻转跃迁，并借助硅顶点探测器（SVD）记录湮灭事件；其四，采用经验线型拟合、跨重复实验联合极大似然分析及系统误差评估，从差频中提取a_1S/h。样本来源为CERN ALPHA-2装置中多轮正电子–反质子混合形成并累积的俘获反氢。

Antihydrogen production and trapping
研究人员首先建立了高产额、高稳定性的反氢制备与俘获流程。反质子与正电子在圆柱形Penning–Malmberg阱中冷却、压缩并合并生成反氢，后者被限制在0.54 K深的磁势阱中。适当自旋态且动能足够低的中性反原子可避免与装置材料表面接触而湮灭。与既往实验相比，本研究单次制备约可获得100个被俘获反原子，提升来源于对正电子实施激光冷却铍离子协同冷却后所实现的更低等离子体温度。研究人员进一步通过重复制备而不释放既有反原子，实现约1 h内累积约1,500个反原子的能力。这一部分结果为高统计量微波谱学奠定了实验基础。

The spectroscopy experiment
研究人员利用反氢基态的四个超精细子能级 \(|a\rangle\)、\(|b\rangle\)、\(|c\rangle\) 和 \(|d\rangle\) 进行谱学设计。其中 \(|c\rangle\) 与 \(|d\rangle\) 为低场寻求态，可被俘获；\(|a\rangle\) 与 \(|b\rangle\) 为高场寻求态，跃迁后会逸出陷阱并发生湮灭。实验在约1 T附近施加28–31 GHz微波，依次驱动 \(|c\rangle\to|b\rangle\) 与 \(|d\rangle\to|a\rangle\) 正电子自旋翻转跃迁。由于陷阱磁场空间强烈非均匀，共振频率依赖位置，研究人员专门构建近轴向中心尽可能平坦、但仍保留浅绝对极小值的磁场分布，从而将谱学灵敏度集中于磁势最低点附近。实验采用随时间单调上升的阶梯式扫频，先清除 \(|c\rangle\) 态，再测量 \(|d\rangle\) 态，以避免高磁场区非目标共振引起的高背景。根据Breit–Rabi图像，若两条跃迁在相同最小磁场处测得，则其频差即为反氢基态超精细分裂频率a_1S/h。

研究人员在两个不同基底磁场条件下开展实验，轴向磁场最小值分别为1.03 T和1.07 T，对应跃迁频率整体相差约1.1 GHz。每组实验包含8次重复，每次均积累约1,500个反原子。单次重复中，微波注入分四个阶段：阶段1扫描 \(|c\rangle\to|b\rangle\) 共振；阶段2清除残余 \(|c\rangle\) 态反原子；阶段3以高出1,420,390 kHz的频率窗口扫描 \(|d\rangle\to|a\rangle\) 共振；阶段4清除残余 \(|d\rangle\) 态。实验还考虑到磁场随时间缓慢衰减以及微波加热电极导致逸气增加等因素，并通过延迟测量、调整起始频率和冷却等待等措施加以控制。两类跃迁对应的湮灭事件总数相当，说明 \(|c\rangle\) 与 \(|d\rangle\) 态生成与去除速率近似平衡。

Analysis and results
在数据分析中，研究人员将阶段1与阶段3记录的湮灭事件分别构造成 \(|c\rangle\to|b\rangle\) 与 \(|d\rangle\to|a\rangle\) 的共振线型。由于线型同时受非均匀磁场结构、反氢数目耗尽、原子轨道、局域微波场强和运动展宽等多因素共同影响，研究并未建立完全的物理线型模型，而是采用经验线型函数及分辨函数卷积进行拟合，引入起始频率参数 \({f}_{cb}^{o}\) 与 \({f}_{da}^{o}\)，将其作为磁场最小点共振频率的代理量。由于研究目标是两条跃迁的频率差而非绝对频率，许多模型相关系统效应在差分中相互抵消。

考虑到磁场最小值在一次重复的阶段1和阶段3之间以及不同重复之间都在缓慢下降，研究人员进一步将全部8对起始频率参数分别用具有共同斜率的两条直线拟合，两线间距即为a_1S/h。系统不确定度主要来自信号模型选择、重复性、磁场漂移偏离线性假设以及频率分箱。最终，两组独立数据在考虑系统误差相关性后合并，得到反氢基态超精细分裂：
\({a}_{1{\rm S}}/h=1,420,404.8\pm1.1(\mathrm{stat.})\pm5.6(\mathrm{sys.})\,\mathrm{kHz}\)。
该结果与氢的预期值一致，将反氢该物理量的测量精度较先前提升两个数量级，达到4 ppm水平，支持CPT不变性。

Trap magnetic field profile, stabilization and characterization
磁场控制是本研究精度提升的核心环节。研究人员将陷阱中心轴向磁场曲率压低到小于2 T m^?2，较以往未平坦化陷阱场减小约20倍，从而延长反原子通过共振区时与微波相互作用的有效时间，提高自旋翻转效率并增强对最低共振频率附近反原子的探测能力。同时，为保证中心存在浅而明确的绝对磁场极小值，磁场并未采用完全平顶构型，而是在中心镜线圈下方略作下凹。研究人员利用ECR以约1 ppm频率分辨率和约1 mm空间分辨率原位测绘轴向磁场，并独立表征初始漂移和长期线性漂移。ECR用于实验准备和互补监测，而非直接参与a_1S/h提取。多组线圈电流则通过高稳定度DCCT与PID闭环控制稳定在数mA范围内。

Extracting the zero-field ground-state hyperfine splitting
在理论处理上，研究采用氢原子的Breit–Rabi公式描述外磁场中的基态超精细能级结构，并假定反氢遵循相同函数形式。因此，对于任意给定磁场B，\({a}_{1S}/h=f_{da}(B)-f_{cb}(B)\)。该差分策略使磁场项相消，从而避免对绝对磁场值的极端依赖，成为提取零场基态超精细分裂的关键物理基础。

Microwave magnetic field and positron spin-flip rates
微波由高稳频信号源产生并放大，经定制真空窗与波导耦合进入陷阱。研究关注的是与静态轴向磁场垂直的微波磁场分量，因为该分量驱动正电子自旋翻转。由于装置内微波场的空间分布复杂且随频率变化明显，研究人员通过辅助功率实验比较不同注入功率下的线型，尽可能匹配两类跃迁的翻转速率。阶段2和阶段4则采用更高功率以加快残余态清除。该部分工作支撑了两条谱线在差分分析中的可比性。

Data acquisition and selection
反氢湮灭事件通过三层硅顶点探测器重建带电末态轨迹识别，并利用基于Boosted Decision Tree的机器学习分类方法抑制宇宙线背景。候选事件选择效率为75.7%，宇宙线误判率为37.4 × 10^?3 s^?1。对于分析，研究人员剔除了微波步进切换稳定时间内的事件，并按湮灭发生时所对应的注入微波频率进行分箱处理。

Data analysis
经验模型由基线线型函数与分辨函数卷积后再叠加常数背景组成。基线函数在某一阈值频率即起始频率以下为零，超过阈值后随共振体积扩大而快速上升，随后因目标自旋态反氢数目耗尽而衰减。分辨函数则表征多普勒展宽、渡越时间展宽及磁场涨落等平滑效应。对每个磁场数据集，研究人员分别跨8次重复对两类跃迁进行联合拟合，共得到8对起始频率，再通过共同斜率直线模型求出最终超精细分裂。该流程确保统计利用率最大化，同时将磁场时变效应统一纳入模型。

Simulations
研究还利用反氢在ALPHA-2陷阱中的运动模拟与微波相互作用模拟，对模型参数及系统误差进行研究。模拟结合经ECR调谐的磁场模型和实验实际扫频过程，在共振区对双能级量子跃迁进行数值求解。尽管由于缺乏对陷阱内位置相关微波场以及离轴静磁场的完备知识，模拟无法在目标精度上完全重建实验线型，但足以用于评估不同微波功率和磁场轮廓对结果稳健性的影响。

Systematic uncertainties
系统误差评估涵盖重复性、信号模型、分箱以及磁场漂移四大来源。重复性反映不同重复之间线型变化，可能与频率窗口随磁场衰减整体下移、导致微波场耦合条件改变有关；信号模型误差通过更换基线函数、调整上升幂次、改变分辨函数形式和分辨宽度等方式估计；分箱误差来自离散扫频固有的不确定性；B-drift则用于量化磁场漂移偏离纯线性衰减的影响。总体上，这些系统项被严格纳入预算，并在两组数据合并时考虑相关性。

Validation and cross-checks
为验证分析可靠性，研究人员进行了蒙特卡洛伪实验，结果表明拟合过程无偏且误差估计合理。进一步地，研究用线型峰值频率f_max替代起始频率参数重复分析，所得超精细分裂与主结果相差很小，位于系统误差范围内。对背景处理的稳健性检验也未发现与湮灭顶点径向或轴向分布相关的统计显著偏差。

讨论与结论表明，本研究实现了反氢基态超精细分裂从400 ppm到4 ppm的跨越式提升，使测量精度进入对反质子内部结构效应敏感的区间，并逼近当前理论分析能力的边界。该结果不仅与CPT不变性相一致，也显著改善了由1S–2S谱学与1S超精细分裂联合确定的2S超精细分裂精度。研究据此将a_2S/h的精度提高26倍，得到 \(a_{2S}/h=177,563\pm18\,\mathrm{kHz}\)，并给出反氢Sternheim区间 \((8a_{2S}-a_{1S})/h=100\pm150\,\mathrm{kHz}\) 的实验约束。由于该区间能够抵消主导核结构效应，因此可作为高阶QED贡献的探针。

研究结论部分可译为：伴随本次测量实现的精度跃升，a_1S的量子电动力学（QED）计算已进入受核结构效应，特别是Zemach修正主导挑战的区间，这对于质子半径谜题相关研究具有意义。该工作与反氢1S–2S双光子光学跃迁研究之间存在协同作用。借助新的a_1S/h测量，研究人员将a_2S/h的确定精度提高了26倍，并建立了反氢Sternheim区间的实验界限。未来可通过将本文方法与电子回旋共振磁强计测量相结合，更直接探测束缚态反原子磁矩中的相对论与辐射修正贡献。后续研究将聚焦0.65 T处的核磁共振跃迁 \(|c\rangle \leftrightarrow |d\rangle\)，该转折点能够抑制与非均匀磁阱及磁场变化相关的主要系统效应。结合近期激光冷却与绝热膨胀冷却的进展，研究人员预计基态超精细分裂测量还可再提高两个数量级。与此同时，CERN的ASACUSA合作组也在推进基于反氢束流的互补测量方案。