Антипротонный гелий — это трехчастичный атом, состоящий из антипротона и электрона, вращающихся вокруг ядра гелия . Таким образом, он состоит частично из материи, а частично из антиматерии. Атом электрически нейтрален, поскольку электрон и антипротон имеют заряд −1 e , тогда как ядро гелия имеет заряд +2 e . Он имеет самое продолжительное время жизни из всех экспериментально полученных связанных состояний материи и антиматерии. [1]
Эти экзотические атомы могут быть получены простым смешиванием антипротонов с обычным гелиевым газом; антипротон спонтанно вытесняет один из двух электронов, содержащихся в нормальном атоме гелия, в химической реакции, а затем начинает вращаться вокруг ядра гелия вместо электрона. Это произойдет в случае примерно 3% антипротонов, введенных в гелиевый газ. Орбита антипротона, которая имеет большое главное квантовое число и квантовое число углового момента около 38, лежит далеко от поверхности ядра гелия. Таким образом, антипротон может вращаться вокруг ядра в течение десятков микросекунд, прежде чем, наконец, упасть на его поверхность и аннигилировать . Это контрастирует с другими типами экзотических атомов формы
п
X+ , которые обычно распадаются в течение пикосекунд. [2]
Антипротонные атомы гелия изучаются в ходе эксперимента ASACUSA в ЦЕРНе . В этих экспериментах атомы сначала производятся путем остановки пучка антипротонов в гелиевом газе. Затем атомы облучаются мощными лазерными лучами, которые заставляют антипротоны в них резонировать и перескакивать с одной атомной орбиты на другую.
Как и в спектроскопии других связанных состояний, доплеровское уширение и другие эффекты создают проблемы для точности. Исследователи используют различные методы для получения точных результатов. Одним из способов превзойти точность, ограниченную доплеровским эффектом, является двухфотонная спектроскопия. [2] Сотрудничество ASACUSA изучило
п
3 Он + и
п
4 атома He + с
п
занимая высокое ридберговское состояние с большими главными и орбитальными квантовыми числами, 38, с использованием 2-фотонной спектроскопии. [2]
Встречные лазеры Ti:Sapphire с импульсами длительностью 30−100 нс возбуждали нелинейные 2-фотонные переходы в глубоком УФ, включая спектральные линии с длинами волн 139,8, 193,0 и 197,0 нм. Эти линии соответствуют переходам между состояниями вида . Такие переходы маловероятны. Однако вероятность увеличивается в раз10 5 , когда частоты лазера суммируются в пределах 10 ГГц от промежуточного состояния . Состояния были выбраны парами таким образом, чтобы излучение Оже
п
He2+ и быстрая аннигиляция дали обнаружимый черенковский сигнал. Уменьшенный доплеровский сдвиг привел к более узким спектральным линиям с точностью от 2,3 до 5 ppb. Сравнение результатов с расчетами трехчастичной квантовой электродинамики позволило определить отношение масс антипротона к массе электрона1 836 .152 6736 (23) .
В 2022 году ASACUSA обнаружила неожиданное сужение спектральных линий антипротонного гелия. [3] [4] [5]
Измеряя определенную частоту лазерного света, необходимую для резонанса атома, эксперимент ASACUSA определил массу антипротона, которую они измерили в1 836 .153 6734 (15) раз массивнее электрона . [ 6] Это то же самое, что и масса «обычного» протона, в пределах уровня достоверности эксперимента. Это подтверждение фундаментальной симметрии природы, называемой CPT (сокращение от заряд, четность и обращение времени). Этот закон гласит, что все физические законы останутся неизменными при одновременном обращении оси заряда , четности пространственных осей и ориентации оси времени . Одним из важных предсказаний этой теории является то, что частицы и их античастицы должны иметь абсолютно одинаковую массу.
Сравнивая приведенные выше результаты лазерной спектроскопии антипротонного гелия с отдельными высокоточными измерениями циклотронной частоты антипротона, проведенными коллаборациями ATRAP и BASE в ЦЕРНе, можно точно сравнить массу и электрический заряд антипротона со значениями протона. Самые последние такие измерения показывают, что масса антипротона (и абсолютное значение заряда) такая же, как у протона с точностью до 0,5 миллиардной части.
Антипротонный ион гелия — это двухчастичный объект, состоящий из ядра гелия и вращающегося вокруг него антипротона. Он имеет электрический заряд +1 e . Холодные ионы со временем жизни до 100 нс были получены в ходе эксперимента ASACUSA в 2005 году.
В 2020 году ASACUSA в сотрудничестве с Институтом Пауля Шеррера (PSI) сообщила об экспериментальной проверке долгоживущего пионного гелия с помощью спектроскопических измерений, впервые на экзотическом атоме, содержащем мезон. Его существование было предсказано в 1964 году Джорджем Кондо в Университете Теннесси для объяснения некоторых аномалий в треках пузырьковой камеры, но никаких точных доказательств его существования так и не было получено. В эксперименте отрицательно заряженные пионы из кольцевого циклотрона были магнитно сфокусированы в бак, заполненный сверхтекучим гелием, так что они выталкивали электрон из атома и занимали его место. Позже, чтобы подтвердить производство, лазерный свет был запущен на различных частотах, пока они не нашли определенную частоту на 1631 нм, где пион резонировал, совершая квантовый скачок со своей орбиты на внутреннюю и в конечном итоге в ядро, которое распадалось на протон, нейтрон и дейтрон. Эксперимент оказался весьма технически сложным для проведения и занял 8 лет, включая проектирование и создание эксперимента. [7] [8] [9]
