Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН) ввела в эксплуатацию новую оптоволоконную линию связи между лабораторией и Французским национальным метрологическим институтом в Париже. Эта линия значительно повысит точность измерений и поддержит эксперименты, такие как ALPHA, в их поиске различий между материей и антиматерией.
Эксперименты на Фабрике антиматерии ЦЕРН проверяют фундаментальные принципы, такие как CPT-симметрия, изучая свойства и поведение антиматерии и сравнивая их с обычной материей. Эксперимент ALPHA проводит такие тесты посредством спектроскопии антиводорода — измеряя частоты переходов в антиатоме с помощью лазера или микроволн. Если результаты совпадают с результатами для обычного водорода, то измерение считается согласующимся с CPT-симметрией.
Эти частоты, измеряемые в герцах (Гц), что эквивалентно одному колебанию в секунду, соответствуют интервалам энергетических уровней в атомах и спектральным линиям, возникающим при квантовых переходах между уровнями. Для точного сравнения материи и антиматерии частоты должны быть определены с невероятной точностью, что требует использования сверхточных часов.
Поэтому недавно в ALPHA были установлены цезиевые фонтанные часы, а новая оптоволоконная линия связи между экспериментом и Французским национальным метрологическим институтом в Париже теперь работает в режиме онлайн. И часы, и оптическая линия помогут повысить точность измерений антиводорода в ALPHA на порядки.
«Для нашего предыдущего измерения перехода между основным состоянием и первым возбуждённым состоянием антиводорода мы использовали более простые часы, сделанные из кварцевого осциллятора, синхронизированного через GPS-спутник в качестве эталона частоты, и мы достигли точности частоты перехода две части на триллион (2×10-12). Однако эквивалентное измерение на водороде, выполненное за несколько лет до нашего измерения антиводорода, имеет ещё более высокую точность — четыре части на квадриллион (4×10-15), что требует лучших часов для поиска потенциальных различий между материей и антиматерией», — говорит физик Янко Наута из коллаборации ALPHA.
Для ALPHA и оптоволоконная линия, и цезиевые фонтанные часы играют важную роль в проведении измерений антиводорода с точностью, соответствующей измерениям водорода. Новая линия поможет уменьшить шум в измерениях и лучше оценивать часы в долгосрочной перспективе, чтобы убедиться, что они остаются точными. Кроме того, она позволит в будущем использовать сигналы от оптических квантовых часов, превосходящих стабильность часов, которые в настоящее время реализуют секунду СИ.
Это имеет потенциал для повышения точности часов по всему ЦЕРН и может предоставить новый способ доступа Лаборатории ко Всемирному координированному времени (UTC) — глобальному стандарту для измерения времени. Оптический сигнал от линии может синхронизироваться с UTC более точно, чем через GPS-спутник, который в настоящее время используется в ЦЕРН.
Последнее точное измерение ALPHA перехода между основным состоянием и первым возбуждённым состоянием антиводорода наложило более жёсткие ограничения на нарушения CPT-симметрии, чем предыдущее измерение. С новой оптической линией связи коллаборация надеется подвергнуть CPT-симметрию ещё более строгим испытаниям.