Антипротонный гелий
| Антиматерия |
|---|
 |
Антипротонный гелий представляет собой трехчастный атом, состоящий из антипротона и электрона , вращающихся вокруг гелия ядра . Таким образом, он состоит частично из материи, а частично из антиматерии. Атом электронейтрален, поскольку электрон и антипротон имеют заряд −1 e , тогда как ядро гелия имеет заряд +2 e . Он имеет самое продолжительное время жизни среди всех экспериментально созданных связанных состояний материи и антивещества. [1]
Производство
[ редактировать ]Эти экзотические атомы можно получить, просто смешав антипротоны с обычным газообразным гелием; антипротон самопроизвольно вытесняет один из двух электронов, содержащихся в обычном атоме гелия, в химической реакции, а затем начинает вращаться вокруг ядра гелия вместо электрона. Это произойдет в случае, если в газообразный гелий будет введено примерно 3% антипротонов. Орбита антипротона, имеющая большое главное квантовое число и квантовое число углового момента около 38, расположена 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
Х + , которые обычно затухают в течение пикосекунд. [2]
Лазерная спектроскопия
[ редактировать ]Антипротонные атомы гелия изучаются в эксперименте ASACUSA в ЦЕРНе . В этих экспериментах атомы сначала создаются путем остановки пучка антипротонов в газообразном гелии. Затем атомы облучаются мощными лазерными лучами, которые заставляют находящиеся в них антипротоны резонировать и перепрыгивать с одной атомной орбиты на другую.
Как и в спектроскопии других связанных состояний, доплеровское уширение и другие эффекты создают проблемы с точностью. Исследователи используют различные методы для получения точных результатов. Одним из способов превысить точность, ограниченную доплером, является двухфотонная спектроскопия. [2] Коллаборация ASACUSA изучила
п
3 Он + и
п
4 Он + атомы с
п
занимая высокое ридберговское состояние с большими главными и орбитальными квантовыми числами, 38 с использованием 2-фотонной спектроскопии. [2] Встречные Ti:Сапфировые лазеры с импульсами длительностью 30–100 нс возбуждают нелинейные 2-фотонные переходы в глубоком УФ диапазоне, включая спектральные линии длин волн, 139,8, 193,0 и 197,0 нм. Эти линии соответствуют переходам между состояниями вида . Такие переходы маловероятны. Однако вероятность увеличивается в 10 раз. 5 когда сумма частот лазеров находится в пределах 10 ГГц от промежуточного состояния . Состояния выбирались попарно так, чтобы оже-эмиссия
п
он 2+ и быстрое уничтожение привело к обнаружению сигнала Черенкова. Уменьшение доплеровского сдвига привело к более узким спектральным линиям с точностью от 2,3 до 5 частей на миллиард. Сравнение результатов с расчетами трехчастичной квантовой электродинамики позволило определить отношение масс антипротона к массе электрона, равное 1 836 ,152 6736 (23) .
В 2022 году ASACUSA обнаружила неожиданное сужение спектральных линий антипротонного гелия. [3] [4] [5]
Измерение соотношения масс антипротона и электрона
[ редактировать ]Измерив конкретную частоту лазерного света, необходимую для резонирования атома, эксперимент ASACUSA определил массу антипротона, который, как они измерили, в ( 15 ) 1 836,153 6734 раз массивнее электрона . [6] Это то же самое, что и масса «обычного» протона в пределах уверенности 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 изменении направления оси заряда , четности пространственных осей и ориентации оси времени . Одним из важных предсказаний этой теории является то, что частицы и их античастицы должны иметь одинаковую массу.
Сравнение масс и зарядов антипротона и протона.
[ редактировать ]Сравнивая приведенные выше результаты по лазерной спектроскопии антипротонного гелия с отдельными высокоточными измерениями циклотронной частоты антипротона, выполненными коллаборациями ATRAP и BASE в ЦЕРН, можно точно сравнить массу и электрический заряд антипротона со значениями протона. Самые последние такие измерения показывают, что масса антипротона (и абсолютная величина заряда) такая же, как у протона, с точностью до 0,5 частей на миллиард.
Антипротонные ионы гелия
[ редактировать ]Антипротонный ион гелия представляет собой двухчастичный объект, состоящий из ядра гелия и вращающегося вокруг него антипротона. Он имеет электрический заряд +1 е . Холодные ионы с временем жизни до 100 нс были получены в ходе эксперимента ASACUSA в 2005 году.
Пионический гелий
[ редактировать ]В 2020 году ASACUSA в сотрудничестве с Институтом Пола Шеррера (PSI) сообщила об экспериментальной проверке долгоживущего пионного гелия с помощью спектроскопических измерений; впервые в атоме, содержащем лептон. Его существование было предсказано в 1964 году Джорджем Кондо из Университета Теннесси, чтобы объяснить некоторые аномалии в следах пузырьковой камеры, но никаких точных доказательств его существования так и не было получено. В эксперименте отрицательно заряженные пионы из кольцевого циклотрона магнитно фокусировались в резервуар, наполненный сверхтекучим гелием, так, чтобы они вытеснили электрон из атома и заняли его место. Позже, чтобы подтвердить производство, лазерный свет излучался на различных частотах, пока не была найдена конкретная частота при 1631 нм, где пион будет резонировать, совершая квантовый скачок со своей орбиты на внутреннюю и, в конечном итоге, в ядро, которое распадется на протон, нейтрон и дейтрон. Эксперимент оказался технически сложным и занял 8 лет, включая разработку и постройку эксперимента. [7] [8] [9]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «ОТЧЕТ О ПРОГРЕССЕ СОТРУДНИЧЕСТВА ASACUSA AD-3» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 7 июля 2022 года . Проверено 30 июля 2022 г.
- ^ Jump up to: а б с Сотер, Анна; Агай-Хозани, Хосейн; Барна, Дэниел; Дакс, Андреас; Вентурелли, Лука; Хори, Масаки; Хаяно, Рюго; Фридрих, Сюзанна; Юхас, Берталан; Паск, Томас; Хорват, Дезё; Видманн, Эберхард; Вентурелли, Лука; Зурло, Никола (27 июля 2011 г.). «Двухфотонная лазерная спектроскопия антипротонного гелия и соотношение масс антипротона и электрона». Природа . 475 (7357): 484–488. arXiv : 1304.4330 . дои : 10.1038/nature10260 . ПМИД 21796208 . S2CID 4376768 .
- ^ Сотер, Анна; Агай-Хозани, Хосейн; Барна, Дэниел; Дакс, Эндрю; Вентурелли, Лука; Хори, Масаки (16 марта 2022 г.). «Лазерные резонансы антипротонного гелия высокого разрешения в сверхтекучем 4He» . природе По своей 603 (7901): 411–415. Бибкод : 2022Natur.603..411S . дои : 10.1038/s41586-022-04440-7 . ISSN 1476-4687 . ПМЦ 8930758 . ПМИД 35296843 .
- ^ «ASACUSA видит удивительное поведение гибридных атомов вещества и антивещества в сверхтекучем гелии» . ЦЕРН . Проверено 17 марта 2022 г.
- ^ «Эксперимент с ледяной антиматерией удивляет физиков» . Журнал Кванта . 16 марта 2022 г. Проверено 17 марта 2022 г.
- ^ Хори, М.; и др. (2016). «Охлаждение антипротонного гелия буферным газом до 1,5–1,7 К и соотношение масс антипротона и электрона». Наука . 354 (6312): 610–4. Бибкод : 2016Sci...354..610H . doi : 10.1126/science.aaf6702 . ПМИД 27811273 . S2CID 37796298 .
- ^ Хори, Масаки; Агай-Хозани, Хосейн; Сотер, Анна; Дакс, Андреас; Барна, Дэниел (6 мая 2020 г.). «Лазерная спектроскопия пионных атомов гелия» . Природа . 581 (7806): 37–41. Бибкод : 2020Natur.581...37H . дои : 10.1038/s41586-020-2240-x . ISSN 1476-4687 . ПМИД 32376962 . S2CID 218527999 .
- ^ «ASACUSA видит удивительное поведение гибридных атомов вещества и антивещества в сверхтекучем гелии» . ЦЕРН . Проверено 16 марта 2022 г.
- ^ «Пионический гелий» . www.mpq.mpg.de. Проверено 16 марта 2022 г.