DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10124-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41673162
تاريخ النشر: 2026-02-11
المؤلف: Lothar Maisenbacher وآخرون
الموضوع الرئيسي: المادة المظلمة والظواهر الكونية
طرق
تم تصميم الجهاز التجريبي المستخدم في هذه الدراسة لإنشاء شعاع كريوجيني من ذرات الهيدروجين، وذلك من خلال فوهة نحاسية محفوظة عند درجة حرارة 4.8 كلفن. يتم تحضير ذرات الهيدروجين في حالة $m_{2S} = 0$ عبر إثارة فوتونية ثنائية خالية من دوبلر من الحالة الأساسية ($1S$) باستخدام ليزر تحضير بطول موجي 243 نانومتر، والذي يكون متوازيًا مع شعاع الذرات. يتم تقييد تباعد الشعاع إلى حوالي 10 مللي راديان في الاتجاه العرضي بواسطة فتحة تحديد، مما يسمح له بالدخول إلى مجموعة كاشف أسطوانية حيث يتفاعل مع أشعة ليزر الطيف المتجهة في الاتجاه المعاكس. يتراوح زاوية انحراف شعاع الذرات القابلة للتعديل، $|\alpha_0|$، من 0 إلى 12 مللي راديان، مما يحسن من مخطط الإثارة لتقليل انزلاقات دوبلر من الدرجة الأولى.
يتضمن الجهاز عاكسًا مرتدًا نشطًا قائمًا على الألياف (AFR) لتوليد أشعة عالية الجودة تعيد تتبع واجهة الموجة، مع كل شعاع له نطاق طاقة يتراوح بين 5-30 ميكرووات ونصف قطر شدة 2.2 مم $1/e^2$. يتم الحفاظ على محاذاة $|\alpha_0|$ قريبة من الصفر لمنع انقسام شكل الخط إلى مكونين دوبلريين، باستثناء أثناء توصيفات معينة لانزلاق القوة الضوئية (LFS). يتم ضبط زاوية استقطاب أشعة الليزر على 56.5° أو 146.5° لتقليل تشوهات التداخل الكمي (QI). يتم الكشف عن الإلكترونات الضوئية المنبعثة من تحلل حالة $6P$ بواسطة مضاعفات إلكترونية قنوية موضوعة في أعلى وأسفل الأسطوانة، والتي يتم درعها بواسطة قفص فاراداي مقسم لتخفيف الحقول الكهربائية الخارجية وتسهيل توصيف الحقول الكهربائية المتناثرة وانزلاق ستارك المستمر.
نقاش
في هذه الدراسة، يستكشف المؤلفون انتقال 2S-6P في ذرات الهيدروجين باستخدام مطيافية ليزر أحادي الفوتون خالية من دوبلر متقدمة. يحققون تحسينات كبيرة مقارنة بالقياسات السابقة من خلال استخدام ليزر مستقطب خطيًا بطول موجي 410 نانومتر لفحص انتقالين مسموحين بالثنائي من حالة 2S المستقرة. تتدهور مستويات 6P المثارة بسرعة إلى مجموعات 1S و2S، مما يؤدي إلى عرض طبيعي يبلغ $\Gamma = 3.90 \text{ MHz}$. تسلط الدراسة الضوء على دور التداخل الكمي (QI) في تشويه شكل خط الفلورسنت، مع انزلاقات على مستوى $\Gamma^2/\Delta\nu_{FS}(6P) \approx \Gamma/100$. يستخدم المؤلفون زاوية اكتشاف صلبة كبيرة وزاوية استقطاب سحرية لتخفيف هذه الانزلاقات.
تستكشف الأبحاث أيضًا توزيع سرعة الذرات عن طريق حجب ليزر التحضير 1S-2S، مما يسمح بتحليل مجموعات مختلفة من سرعات الذرات. يتماشى توزيع السرعة الناتج بشكل جيد مع نموذج ماكسويل-بولتزمان، مع سرعة قطع نموذجية تبلغ حوالي 50 م/ث. يجد المؤلفون أن عرض الخطوط الموسعة بدوبلر لمجموعات الذرات الأسرع يتجاوز العرض الطبيعي، بينما تقترب المجموعات الأبطأ منه. تعيد محاكياتهم إنتاج أشكال الخطوط المرصودة بدقة، مما يؤكد فعالية إعدادهم التجريبي. في النهاية، توفر الدراسة تحديدًا دقيقًا لنصف قطر شحنة البروتون rms، $r_p = 0.8406(5) \text{ fm}$، والذي يتوافق بشكل ممتاز مع القياسات الميونية ويقوم بتحسين كبير للتحديدات السابقة للهيدروجين الذري.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10124-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41673162
Publication Date: 2026-02-11
Author(s): Lothar Maisenbacher et al.
Primary Topic: Dark Matter and Cosmic Phenomena
Methods
The experimental apparatus utilized in this study is designed to create a cryogenic beam of hydrogen atoms, achieved through a copper nozzle maintained at a temperature of 4.8 K. The hydrogen atoms are prepared in the $m_{2S} = 0$ state via Doppler-free two-photon excitation from the ground state ($1S$) using a 243 nm preparation laser, which is collinear with the atomic beam. The beam’s divergence is restricted to approximately 10 mrad in the transverse direction by a collimating aperture, allowing it to enter a cylindrical detector assembly where it interacts with counterpropagating spectroscopy laser beams. The adjustable atomic beam offset angle, $|\alpha_0|$, ranges from 0 to 12 mrad, optimizing the excitation scheme to minimize first-order Doppler shifts.
The apparatus incorporates an active fibre-based retroreflector (AFR) to generate high-quality, wavefront-retracing beams, with each beam having a power range of 5-30 μW and a 2.2 mm $1/e^2$ intensity radius. The alignment of $|\alpha_0|$ is maintained close to zero to prevent the splitting of the line shape into two Doppler components, except during specific characterizations of the light force shift (LFS). The polarization angle of the laser beams is set to 56.5° or 146.5° to suppress quantum interference (QI) distortions. Photoelectrons emitted from the decay of the $6P$ state are detected by channel electron multipliers positioned at the top and bottom of the cylinder, which are shielded by a segmented Faraday cage to mitigate external electric fields and facilitate the characterization of stray electric fields and the dc-Stark shift.
Discussion
In this study, the authors investigate the 2S-6P transition in hydrogen atoms using advanced Doppler-free one-photon laser spectroscopy. They achieve significant improvements over previous measurements by employing a linearly polarized 410-nm laser to examine two dipole-allowed transitions from the metastable 2S state. The excited 6P levels decay rapidly to the 1S and 2S manifolds, resulting in a natural linewidth of $\Gamma = 3.90 \text{ MHz}$. The study highlights the role of quantum interference (QI) in distorting the fluorescence line shape, with shifts on the order of $\Gamma^2/\Delta\nu_{FS}(6P) \approx \Gamma/100$. The authors utilize a large detection solid angle and a magic polarization angle to mitigate these shifts.
The research also explores the atomic velocity distribution by blocking the 1S-2S preparation laser, allowing for the analysis of different atomic velocity groups. The resulting speed distribution aligns well with a Maxwell-Boltzmann model, with a characteristic cut-off speed of approximately 50 m/s. The authors find that the Doppler-broadened linewidths for faster atomic groups exceed the natural linewidth, while slower groups approach it. Their simulations accurately reproduce the observed line shapes, confirming the effectiveness of their experimental setup. Ultimately, the study provides a precise determination of the proton rms charge radius, $r_p = 0.8406(5) \text{ fm}$, which is in excellent agreement with muonic measurements and significantly refines previous atomic hydrogen determinations.