单粒子自旋相干光谱学突破：首次实现反质子自旋的量子操控与高精度测量

为解决核磁矩测量中相干时间短、分辨率受限的问题，BASE合作组利用低温Penning阱系统，首次实现了单反质子(antiproton)自旋的相干量子跃迁光谱学研究。通过多阱技术与连续Stern-Gerlach效应，观测到80%的自旋反转概率和50秒的相干时间，将共振线宽缩小16倍至156 mHz，为CPT对称性检验提供了精度达150 ppt的新方法。

　　

在粒子物理与精密测量的前沿领域，检验物质与反物质对称性（CPT不变性）是验证标准模型的关键课题。反质子(antiproton)作为质子的反物质对应体，其磁矩测量精度长期受限于传统非相干测量方法的线宽和信噪比。此前最先进的测量仍存在两个核心瓶颈：一是宏观粒子系综测量会引入统计误差，二是Larmor频率(v_L)与回旋频率(v_c)的关联测量受磁场噪声影响显著。

欧洲核子研究中心(CERN) BASE合作组的研究人员通过创新性实验设计，在《Nature》发表了突破性成果。他们利用低温多Penning阱系统，首次实现了单反质子自旋的相干量子操控，将磁矩测量分辨率推向亚ppb（十亿分之一）量级。这项研究不仅为基本对称性检验提供了新范式，还可能揭示暗物质与反物质相互作用的微妙效应。

研究团队采用三项关键技术：1）双粒子/三阱架构，分离"回旋粒子"与"拉莫尔粒子"的功能，分别优化v_c测量与自旋操控；2）基于CoFe电极的连续Stern-Gerlach效应实现单粒子自旋态非破坏性检测，灵敏度达173 mHz；3）自屏蔽超导磁体系统将磁场梯度B_2,PT控制在±350 mT m^-2，抑制轴向运动导致的退相干。

【实验装置】

陷阱堆栈包含精度阱(PT)、分析阱(AT)和冷却阱(CT)，其中PT的磁场均匀性达1.945 T±1.8 mT m^-2。通过超导磁体调节系统（图1c）实现B_2,PT的亚mT级控制，这是保持50秒相干时间的关键。

【Rabi振荡观测】

在优化参数下（Ω₀/2π≈50 mHz），观察到自旋反转概率达89±11%，有效相干时间τ_s,PT=50.2±4.8秒。蒙特卡洛模拟显示，当前限制主要来自v_c测量噪声（σ≈52 mHz）。

【自旋共振谱】

相比2017年非相干测量（灰色数据），新方法将线宽从2.5 Hz压缩至156±4 mHz（绿线），信噪比提升1.54倍。Voigt拟合显示中心频率确定精度达12 mHz（150 ppt），较前序工作提高10倍。

这项研究标志着单核子自旋量子操控的重大突破。通过相干光谱学方法，BASE团队将反质子磁矩测量系统误差降低至100 ppt量级，为检验CPT对称性提供了全新实验范式。特别值得注意的是，该方法可拓展至质子测量，未来结合可运输反质子阱(BASE-STEP)技术，有望在无加速器干扰环境下实现10 ppt级测量精度。此外，窄线宽共振谱为探测轴子类暗物质与反质子的耦合开辟了新途径，其质量分辨率较传统方法显著提升。这些进展不仅深化了对物质-反物质对称性的理解，也为量子精密测量技术在基本物理常数测定中的应用树立了新标杆。