反氢原子基态超精细结构的微小变化测量

本文报道了一项关于反氢原子（氢原子的反物质对应体）基态超精细结构的高精度测量实验。氢原子是检验量子理论基础、发展与前沿的关键体系，其光谱线已被精确测定。而反氢原子的研究旨在通过精密比较氢与反氢的原子性质，检验自然界的基本对称性——特别是CPT对称性（电荷共轭、宇称反转和时间反演的联合对称性）。此前，反氢原子的1S–2S跃迁频率测量精度已达万亿分之一量级，但对其基态超精细分裂能量的测量精度仅为400 ppm（百万分之四百）。本研究将这一精度大幅提升至4 ppm，即提高了两个数量级。研究人员利用约2.4万个反氢原子，在1特斯拉磁场中通过微波谱学方法测得其基态超精细分裂频率为1,420,404.8 ± 1.1（统计误差）± 5.6（系统误差）kHz，与普通氢原子的理论预期值高度一致。这一精度已足以敏感探测反质子的内部结构（其贡献约为40 ppm），逼近当前理论分析的极限。精度提升主要得益于三大技术进步：磁阱磁场的精准控制、稳定化与表征；反原子自旋态的精确操控；以及反氢原子积累速率的显著提高。该成果不仅有力支持CPT对称性成立，也为解决“质子半径之谜”、检验量子电动力学（QED）高阶修正（如Zemach修正和核极化效应）提供了关键实验依据。此外，结合已有的2S超精细分裂测量，研究团队还首次给出了反氢原子Sternheim区间（8a₂ₛ − a₁ₛ）/h的实验上限，该物理量能抵消核结构效应，专门用于探测高阶QED贡献。未来工作将聚焦于在磁场拐点（0.65 T）处测量核磁共振跃迁，有望再提升两个数量级精度；同时，其他国际合作组（如ASACUSA）也在开展互补的反氢束流实验。