Атом антиводорода и его взаимодействие с атомами обычной материи тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.02, кандидат физико-математических наук Шарипов, Василий Фаритович

• Шарипов, Василий Фаритович
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Шарипов, Василий Фаритович

Введение

1 Современный статус эксперимента и теории

2 Атом антиводорода во внешних полях

2.1 Атомы водорода и антиводорода во внешнем магнитном поле

2.2 Вероятности переходов в атомах водорода и антиводорода во внешнем электрическом поле.

2.3 Нерезонансные поправки к энергии переходов в атомах водорода и антиводорода во внешнем электрическом поле.

2.4 Когерентное возбуждение 2э и 2р уровней Н и Н атомов

3 Двухатомные системы, содержащие частицы и античастицы

3.1 Приближение Борна-Оппенгеймера

3.2 Оптический потенциал.

3.3 Вычисление вероятностей распада.

3.3.1 Электронно-позитронная аннигиляция.

3.3.2 Ядерная аннигиляция.

3.3.3 Образование позитрония.

4 Молекулярные системы, содержащие Н атом

4.1 Квазимолекула НН.

4.2 Квазимолекула НеН.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Атом антиводорода и его взаимодействие с атомами обычной материи»

Актуальность работы

После того как в 2002 году в CERN'e (Женева, Швейцария) были синтезированы первые атомы антиводорода в Ридберговских состояниях, интерес к новой области физики - физики антивещества - сильно возрос. Ожидается, что сравнение свойств вещества и антивещества позволит проверить фундаментальные законы природы, на которых основывается современная физика. Проверка такого рода требует всестороннего и в первую очередь теоретического исследования сравнительных свойств атомов и антиатомов. Кроме этого, становятся актуальными задачи по расчету взаимодействия антиатомов (в основном, атомов антиводорода) и обычного вещества. Существующие на данный момент экспериментальные установки не позволяют пока сохранять синтезируемые антиатомы на время, достаточное для проведения исследований. Поэтому расчет процессов распада, в том числе аннигиляции, при взаимодействии атома и антиатома важен для экспериментов по синтезу атомов антиводорода. Настоящая диссертация посвящена всем вышеперечисленным проблемам физики антивещества.

Цель работы

1. Поиск и анализ возможных отличий в спектрах атомов водорода и антиводорода во внешних электрических и магнитных полях.

2. Разработка метода расчета, позволяющего описывать взаимодействие между высоковозбужденным атомом антиводорода и атомом обычной, материи.

3. Применение разработанного метода к вычислению потенциальных кривых и вероятностей распада квазимолекул, состоящий из атомов водорода и антиводорода, а также из атомов гелия и антиводорода.

Научная новизна работы

В диссертации получены следующие новые результаты:

1. Изучены всевозможные отличия атомов водорода и антиводорода во внешних электрических и магнитных полях, проявляющиеся в оптических переходах между уровнями 2в и 2рх/2- Предложены простые и эффективные способы измерения таких отличий.

2. Разработан новый метод расчета потенциальных кривых и вероятностей распада для возбужденных состояний двухатомных систем, состоящих из нескольких частиц.

3. Получены потенциальные кривые и вероятности распада для основного и высоковозбужденных состояний квазимолекул, состоящий из атомов водорода и антиводорода, а также из атомов гелия и антиводорода.

Научная и практическая ценность работы

1. Впервые проведен полный анализ возможных спектроскопических отличий атомов водорода и антиводорода во внешних электрических и магнитных полях.

2. Разработан новый метод расчета, позволяющий с высокой точностью вычислять вероятности распада двухатомных систем, состоящих из нескольких частиц.

3. Результаты, полученные с помощью разработанного метода для квазимолекул водород-антиводород и гелий-антиводород, согласуются с предыдущими вычислениями для основного состояния. Высоковозбужденные состояния этих квазимолекул исследовались впервые, и была предсказана их метастабильность.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на семинарах кафедры квантовой механики физического факультета СПбГУ, на семинарах Института теоретической физики Технического Университета Дрездена и на международных конференциях в Пушкине, Санкт-Петербург ("QSCP-XI 2006: Quantum Systems in Chemistry and Physics"), в Дубне, Москва ("¿¿CF 2007: Muon Catalized Fusion") и в Вене ("EXA 2008: Exotic Atoms" и "LEAP 2008: Low Energy Antiproton Physics").

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. L. Labzowsky, D. Solovyev, V. Sharipov, G. Plunien, and G. Soff, One- and two-photon resonant spectroscopy of hydrogen and anti-hydrogen atoms in external electric field. // Journal of Physics B, 2003, vol. 36, p. L227- L233.

2. L. Labzowsky and V. Sharipov, Quantum Beats in Hydrogen and Antihydrogen Atoms in an External Electric Field. 11 Physical Review Letters, 2004, vol. 92, p. 133003-1 - 133003-3.

3. L. Labzowsky, V. Sharipov, D. Solovyev, G. Plunien, and G. Soff, Spectroscopy of the hydrogen and anti-hydrogen atoms in external fields. // International Journal of Modern Physics B, 2004, vol. 18, p. 3875 - 3886.

4. L. Labzowsky and V. Sharipov, Antihydrogen atom in external electric and magnetic fields. // Physical Review A, 2005, vol. 71, p. 012501-1 - 012501-3.

5. L. Labzowsky, V. Sharipov, A. Prozorov, G. Plunien, and G. Soff, Decay channels and decay rates for the hydrogen-antihydrogen quasimolecule. // Physical Review A, 2005, vol. 72, p. 022513-1 - 022513-6.

6. V. Sharipov, L. Labzowsky, and G. Plunien, Rydberg states of the hydrogen-antihydrogen quasimolecule. // Physical Review A, 2006, vol. 73, p. 0525031 - 052503-10.

7. V. Sharipov, L. Labzowsky, and G. Plunien, Potential Energy Curves for Excited States of the Hydrogen-Antihydrogen System. // Physical Review Letters, 2006, vol. 97, p. 103005-1 - 103005-4.

8. L. Labzowsky, V. Sharipov, D. Solovyev, and G. Plunien, Coherent beam-foil excitation of2si/2 and 2p\/2 states of hydrogen and antihydrogen atoms in an external electric field. // Journal Physics B, 2006, vol. 39, p. 5091-5096.

9. V. Sharipov, L. Labzowsky, and G. Plunien, Excited States of the Helium-Antihydrogen System. // Physical Review Letters, 2007, vol. 98, p. 103001-1 - 103001-4.

10. Д. А. Соловьев, В. Ф. Шарипов, JI. Н. Лабзовский и Г. Плюниен, Вероятности одиофотонного перехода ls-2s в атомах водорода и антиводорода во внешнем электрическом поле. // Оптика и Спектроскопия, 2008, vol. 104, р. 572 - 575.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, одного приложения и содержит 137 страниц, 10 рисунков и 14 таблиц. Список литературы включает 89 наименований.

Заключение диссертации по теме «Теоретическая физика», Шарипов, Василий Фаритович

Заключение

Основные положения, выносимые на защиту

1. Рассмотрены всевозможные спектроскопические отличия атомов водорода и антиводорода во внешних электрических и магнитных полях для переходов между уровнями 18-2в и 1з-2р1/2- Предложены различные способы измерения таких отличий.

2. Предложен новый метод расчета потенциальных кривых и вероятностей распада для состояний двухатомных систем с произвольной проекцией орбитального момента, состоящих из нескольких частиц.

3. Представлены потенциальные кривые и вероятности распада для основного и высоковозбужденных состояний квазимолекул НН и НеН.

Я выражаю огромную благодарность своему научному руководителю Л. Н. Лабзовскому за помощь и поддержку. Представленные исследования также не могли быть проведены без помощи РЭ Бг. Гюнтера Плюниена и поддержки Технического Университета Дрездена (Германия), где автор работал в течение двух месяцев в 2003, 2004, дважды в 2006, 2007 и 2008 годах.

Автор, благодарит И. И. Тупицына,, Д. А. Соловьева, М. Г. Козлова, А. В. Титова, А. А. Прозорова, А. В. Волотку, Д. А. Глазова и О. Ю. Андреева за оказанную помощь и обсуждение результатов данной работы, а также А. К. Казанского за полезные замечания, учтенные при написании части 2.4.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Шарипов, Василий Фаритович, 2008 год

1. S. S. Adler et al, Phys. Rev. Lett. 94, 122302 (2005).

2. M. Amoretti et al, Nature 419, 456 (2002).

3. G. Gabrielse et al, Phys. Rev. Lett. 89, 213401 (2002); 233401 (2002).

4. L. S. Brown and G. Gabrielse, Rev. Mod. Phys. 58, 233 (1986).

5. С. H. Storry et al, Phys. Rev. Lett. 93, 263401 (2004).

6. G. Gabrielse et al, Phys. Rev. Lett. 93, 073401 (2004).

7. N. Madsen et al, Phys. Rev. Lett. 94, 033403 (2005).

8. R. Funakoshi et al, Phys. Rev. A 76, 012713 (2007).

9. С. H. Storry, Hyperfine Interact. 172, 91 (2006).

10. R. Bluhm, V. A. Kostelecky, and H. Russell, Phys. Rev. Lett. 82, 2254 (1999).

11. D. Colladay and V. A. Kostelecky, Phys. Rev. D 55, 6760 (1997).

12. R. S. Hayano, Hyperfine Interact. 172, 53 (2006).

13. M. Niering et al, Phys. Rev. Lett. 84, 5496 (2000).

14. R. Bluhm, V. A. Kostelecky, and H. Russell, Phys. Rev. D 57, 3932 (1998).

15. L. K. Gibbons et al, Phys. Rev. D 55, 6625 (1997).

16. B. Schwingenheuer et al., Phys. Rev. Lett. 74, 4376 (1995).

17. R. S. Van Dyck, Jr., P. B. Schwinberg, and H. G. Dehmelt, Phys. Rev. Lett. 59, 26 (1987).

18. R. S. Van Dyck, Jr., P. B. Schwinberg, and H. G. Dehmelt, Phys. Rev. D 34, 722 (1986).

19. V. Abazov et al, Phys. Rev. Lett. 97, 021802 (2006).

20. V. Abulencia et al, Phys. Rev. Lett. 97, 062003 (2006).

21. V. Abulencia et al, Phys. Rev. Lett. 97, 242003 (2006).

22. B. R. Junker and J. N. Bardsley, Phys. Rev. Lett. 28, 1227 (1972).

23. W. Kolos, D. L. Morgan, D. Schrader, and L. Wolniewicz, Phys. Rev. A 11, 1792 (1975).

24. K. Strasburger, J. Phys. B 35, L435-L440 (2002).

25. H. Feshbach, Ann. Phys. (NY) 5, 357-390 (1958).

26. B. Zygelman, A. Saenz, P. Froelich, and S. Jonsell, Phys. Rev. A 69, 042715 (2004).

27. J. S. Cohen, J. Phys. B 39, 1517-1536 (2006). J. S. Cohen, J. Phys. B 39, 3561-3574 (2006).

28. P. K. Sinha, P. Chaudhuri, and A. S. Ghosh, Phys. Rev. A 69, 014701 (2004).

29. P. K. Sinha and A. S. Ghosh, Phys. Rev. A 68, 022504 (2003).

30. P. K. Sinha and A. S. Ghosh, Phys. Rev. A 73, 032711 (2006).

31. C. L. Kirschbaum and L. Wilets, Phys. Rev. A 21, 834 (1980).

32. Labzowsky, V. Sharipov, A. Prozorov, G. Plunien, and G. Soff, Phys. Rev. A 72, 022513 (2005).

33. K. Strasburger and H. Chojnacki, Phys. Rev. Lett. 88, 163201 (2002).

34. S. Jonsell, P. Froelich, S. Eriksson, and K. Strasburger, Phys. Rev. A 70, 062708 (2004).

35. K. Strasburger, H. Chojnacki, and A. Sokolowska, J. Phys. B 38, 3091-3105 (2005). ~ -----

36. K. Strasburger, J. Phys. B 37, 2211-2219 (2004).

37. A. Yu. Voronin, P. Froelich, and B. Zygelman, Phys. Rev. A 72, 062903 (2005).27 28 [29 [30 [31 [32 [3334 3536

38. V. Sharipov, L. Labzowsky, and G. Plunien, Phys. Rev. Lett. 97, 103005 (2006).

39. V. Sharipov, L. Labzowsky, and G. Plunien, Phys. Rev. A 73, 052503 (2006).

40. V. Sharipov, L. Labzowsky, and G. Plunien, Phys. Rev. Lett. 98, 103001 (2007).

41. L. Labzowsky and V. Sharipov, Phys. Rev. A 71, 012501 (2005).

42. L. Labzowsky, V. Sharipov, D. Solovyev, G. Plunien, and G. Soff, Int. J. Mod. Phys. В 18, 30 (2004).

43. G. Breit and E. Teller, Astrophys. J. 91, 215 (1940).

44. G. W. F. Drake, Phys. Rev. A 3, 908 (1971).

45. J. Sucher, Rep. Prog. Phys. 41, 1781 (1978).

46. W. R. Johnson, Phys. Rev. Lett. 29, 1123 (1972).

47. A. I. Akhiezer and V. B. Berestetskii, Quantum Electrodynamics, Wiley, New York, (1965).

48. Д. А. Варшалович, A. H. Москалев й В. К. Херсонский, Квантовая теория углового момента, Наука, Ленинград (1975).

49. Я. И. Азимов, А. А. Ансельм, А. Н. Москалев, Р. М. Рындин, ЖЭТФ 67, 17 (1974).

50. P. J. Mohr, Phys. Rev. Lett. 40, 854 (1978).

51. M. Hillery and P. J. Mohr, Phys. Rev. A 21, 24 (1980).

52. H. A. Bethe and E. E. Salpeter, Quantum Mechanics of One- and Two-Electron Atoms, Springer, Berlin (1957).

53. Я. Б. Зельдович, ЖЭТФ 34, 1483 (1960).

54. A. Huber, B. Gross, M. Weitz, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. A 59, 1844 (1999).

55. F. Low, Phys. Rev. 88, 53 (1951).

56. L. Labzowsky, D. Solovyev, V. Sharipov, G. Plunien, and G. Soff, J. Phys. В 36, L227-L233 (2003).

57. К. S. E. Eikema, J. Walz, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. A 86, 5679 (2001).

58. L. Labzowsky, V. Sharipov, D. Solovyev, and G. Plunien, J. Phys. В 39, (2006).

59. I. A. Sellin et al., Phys. Rev. Lett. 31, 1335 (1973).

60. R. DeSeriö^C. Gonzalez-Lepera, J. P. Gibbons, J. Burgdörfer, and I. A. Sellin, Phys. Rev. A 37, 4111 (1988).

61. R. Krotkov and J. Stone, Phys. Rev. A 22, 473 (1980).

62. J. Macek, Phys. Rev. A 1, 618 (1970).

63. Т. G. Eck, Phys. Rev. Lett. 31, 270 (1973).

64. T. G. Eck, Phys. Rev. Lett. 33, 1055 (1974).

65. H. Wieder and T. G. Eck, Phys. Rev. 153, 103 (1966).

66. G. Gabrielse and Y. B. Band, Phys. Rev. Lett. 39, 697 (1977).

67. J. S. Cohen, Phys. Rev. A 65, 052714 (2002).

68. J. S. Cohen, Phys. Rev. A 69, 022501 (2004).

69. K. Varga and Y. Suzuki, Phys. Rev. С 52, 2885 (1995).

70. Y. Suzuki, J. Usukura, and K. Varga, J. Phys. В 31, 3465 (1998).

71. W. Cencek and J. Rychlewski, J. Chem. Phys. 98, 1252 (1993).

72. W. Cencek and J. Rychlewski, J. Chem. Phys. 102, 2533 (1995).

73. W. Cencek, J. Komasa, and J. Rychlewski, Chem. Phys. Lett. 246, 417 (1995).

74. W. R. Johnson, S. A. Blundell, and J. Sapirstein, Phys. Rev. A 37, 307 (1988).

75. C. Froese-Fischer and F. A. Parpia, Phys. Lett. A 179, 198 (1993).

76. JI. Д. Ландау и E. M. Лифшиц, Квантовая механика. Нерелятивистская теория, Наука, Москва (1989).

77. В. Б. Берестецкий, Е. М. Лифшиц и Л. П. Питаевский, Квантовая электродинамика, Наука, Москва (1989).79 80 [81 [82 [83 [84 [85 [86 [87 [88 [89

78. S. Devons et al, Phys. Rev. Lett. 27, 1614 (1971).

79. M. Bargiotti et al, Phys. Rev. D 65, 012001 (2001).

80. C. Amsler et al., Phys. Rev. D 66, 058101 (2002).

81. E. A. G. Armour and C. W. Chamberlain, J. Phys. B 35, L489 (2002).

82. C. J. Batty et al, Nucl. Phys. A 601, 425 (1996).

83. J. Mitroy and V. D. Ovsiannikov, Chem. Phys. Lett. 412, 76-81 (2005). E. A. G. Armour, J. M. Carr, and V. Zeman, J. Phys. B 31, L679 (1998). A. Gal et al., Nucl. Phys. A 699, 300c (2002).

84. D. M. Bishop and J. Pipin, Int. J. Quantum Chem. 45, 349 (1993). G. G. Ryzhikh, J. Mitroy, and K. Varga, J. Phys. B 31, 3965 (1998). M. Iwasaki et al., Phys. Rev. Lett. 67, 1246 (1991).