Переходы в антипротонных атомах и ионах гелия при столкновениях с атомами гелия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, кандидат наук Юдин, Сергей Николаевич

• Юдин, Сергей Николаевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Юдин, Сергей Николаевич

Оглавление

Введение

Глава 1. Современное состояние изучения метастабильных антипротонных атомов и ионов гелия

1.1. Обзор экспериментов по наблюдению метастабильных состояний антипротонных атомов и ионов гелия

1.1.1. Предыстория наблюдений долгоживущих состояний адронных атомов

1.1.2. Прецизионные измерения лазерно-индуцированных переходов в антипротонном гелии

1.1.3. Наблюдение сверхтонкой структуры антипротонного атома гелия

1.1.4. Лазерно-спектроскопические эксперименты с антипротонными ионами гелия

1.2. Теоретические представления об образовании и разрушении адронных атомов

1.2.1. Механизмы образования адронных атомов гелия

1.2.2. Разрушение изолированных адронных атомов гелия

Глава 2. Столкновения холодных антипротонных ионов гелия с атомами среды

2.1. Экспериментальные данные о свойствах метастабильных состояний антипротонного иона гелия

2.2. Постановка теоретической задачи

2.3. Теоретическая модель описания столкновений в системе рНе2+ — Не. Штарковские переходы

2.3.1. Гамильтониан системы pHe2+ — He с учетом аннигиляционных состояний

2.3.2. Формулировка метода связанных каналов в задаче о столкновениях pHe2+ — Не с учетом аннигилляционных состояний

2.4. Численное интегрирование системы уравнений связанных каналов с учетом аннигиляции в задаче о столкновительных штарковских переходах

2.5. Результаты решения задачи о штарковских переходах в антипротонных ионах при столкновениях с обычными атомами гелия

2.5.1. Сечения штарковских переходов в столкновениях pHe2+ — He

2.5.2. Усреднение по тепловому движению и температурная зависимость скоростей переходов

2.6. Расчеты столкновительных штарковских переходов в антипротонном ионе гелия с взаимодействием ab initio в системе рНе2+ — Не

2.6.1. Метод численного расчета поверхности потенциальной энергии системы рНе2 +—Не. Мультипольные члены

2.6.2. Поверхности потенциальной энергии pHe2+ — He

2.6.3. Матрица потенциалов. Относительная роль членов мультипольного разложения. Сравнение с модельным потенциалом

2.6.3. Решение квантовой задачи о рассеянии антипротонных ионов гелия на атомах гелия методом связанных каналов с потенциалом ab initio

2.7. Столкновительная перезарядка возбужденного антипротонного иона гелия

2.7.1. Теоретическое описание процесса перезарядки при столкновении антипротонного иона гелия с обычным атомом гелия

2.7.2. Результаты вычисления сечений и скоростей процесса перезарядки

2.8. Эволюция заселенностей и эффективная скорость аннигиляции состояний антипротонного иона гелия рНе2+

2.9. Сводка результатов

Глава 3. Влияние столкновений на переходы между состояниями сверхтонкой структуры антипротонного 4Не

3.1. Экспериментальные наблюдения сверхтонкой структуры антипротонного 4Не

3.2. Теоретические задачи о влиянии столкновений на переходы между состояниями сверхтонкой структуры

3.3. Квантовомеханическая задача о переходах между уровнями СТС при столкновениях антипротонного гелия с обычным атомом гелия

3.3.1. Гамильтониан системы «антипротонный гелий - обычный атом гелия»

3.3.2 Система радиальных уравнений для связанных каналов

3.3.3. Сечения переходов, сдвиги и уширения спектральных линий переходов

3.4. Результаты численного решения задачи о столкновении в системе р 4Не+ — 4Не

3.4.1. Зависимости сечений переходов, сдвигов и уширение спектральных линий от кинетической энергии

3.4.2. Температурная зависимость скоростей переходов, сдвигов и уширения линий СТС

3.5. Сводка полученных результатов

Глава 4. Временная эволюция заселенностей уровней СТС, в присутствии внешнего поля и столкновительной релаксации для 4Не

4.1. Экспериментально наблюдаемые данные. Постановка задачи

4.2. Теоретическая модель кинетики системы

4.2.1. Дифференциальные уравнения, определяющие кинетику заселенности уровней СТС в условиях эксперимента

4.2.2. Аналитическое решение кинетических уравнений в частных случаях

4.3. Численное решение системы кинетических уравнений

4.4. Полученные результаты и их обсуждение

и

Глава 5. Влияние столкновений на переходы в СТС антипротонного Не

5.1. Эксперименты по наблюдению сверхтонкой структуры антипротонного атома 3Не и постановка задачи о влиянии столкновений на переходы между состояниями СТС

5.2. Решение квантовой задачи о столкновении в системе р 3Не+ — 3Не

5.2.1. Взаимодействия между антипротонным атомом и обычным атомом 3Не. Система уравнений на связанные каналы

5.2.2. Результаты численного решения задачи рассеяния; сравнение характеристик элементарного столкновения в системе для 3Не и 4Не

м м

5.3. Временная зависимость заселенностей уровней СТС антипротонного Не в присутствии МВИ и релаксационных процессов

5.3.1. Кинетическое уравнение для матрицы плотности уровней СТС антипротонного Не в присутствии МВИ и релаксационных процессов

5.3.2. Результаты численного решения кинетического уравнения. Сравнение с 4Не

5.4. Сводка результатов для 3Не и сравнение с 4Не

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Переходы в антипротонных атомах и ионах гелия при столкновениях с атомами гелия»

Введение

На установке KEK в Японии, затем на LEAR (Low Energy Antiproton Ring) в ЦЕРН с начала 90-х годов 20-го века проводились эксперименты по прямому наблюдению долгоживущих состояний антипротонных атомов гелия [1], [2], [3]. Было установлено, что около 3% антипротонов захватывается на метастабильные орбиты с большими значениями главного квантового числа (п~35^40) с характерными временами жизни в несколько микросекунд. Прецизионные спектроскопические измерения свойств долгоживущего антипротонного гелия были продолжены коллаборацией ASACUSA на более поздней установке AD ( Antiproton Decelerator) в ЦЕРН.

Антипротонный пучок на установке AD имеет следующие характеристики: длительность импульса порядка 200 нс, число частиц в импульсе ~108, кинетическая энергия антипротонов около 5.8 МэВ. В типичных экспериментах антипротоны попадают в камеру с газообразным гелием (при низких температурах ~10 K и плотности р~102Осм_3), где они тормозятся, в основном, посредством ионизации атомов среды и затем захватываются на высоковозбужденные атомные орбиты. Большинство антипротонов совершает быстрый порядка нескольких нс) каскад переходов в состояния с малыми орбитальными моментами и аннигилирует на атомном ядре. Однако некоторые состояния нейтрального антипротонного гелия соответствующие высоким круговым и околокруговым орбитам) оказываются долгоживущими. Время жизни таких метастабильных состояний определяется скоростью радиационных переходов и составляет микросекунды.

Характерное расстояние между соседними (Ди = 1) уровнями антипротонного гелия при n~35^40 соответствует частотам электромагнитного излучения видимого спектра, что позволяет, ввиду большого времени жизни метастабильных состояний, индуцировать переходы антипротона с помощью лазера. Таким образом, настроив частоту излучения на переход из метастабильного в короткоживущее состояние, можно наблюдать всплеск аннигиляции после лазерного импульса. Поскольку частота лазерного излучения известна с очень высокой точностью, это позволяет с такой же точностью определить расстояние между уровнями антипротонного гелия. К настоящему времени произведено множество экспериментов по измерению частот лазерно-индуцированных Е1-переходов в нейтральном антипротонном гелии [4].

Аналогичные измерения частот переходов, в принципе, можно провести и с антипротонными ионами гелия. Однако до настоящего времени такие измерения отсутствуют в связи с экспериментальными трудностями, обусловленными необходимостью в этом случае использовать мишени при очень низком давлении. В качестве первого шага на пути к проведению таких экспериментов в работе [5] были выполнены наблюдения холодных долгоживущих антипротонных ионов гелия с определенными квантовыми числами п, I. Авторам удалось измерить эффективные скорости аннигиляции антипротонного иона гелия, образующегося в состояниях 1 = п — 1, п = 28 ^ 32 для мишеней 3Не и 4Не.

Помимо наблюдения Е1-переходов, выполнены также эксперименты по измерению частот М1-переходов между состояниями сверхтонкой 1 структуры в нейтральном антипротонном гелии при фиксированных квантовых числах п, I [6], [7], [8]. Для этих целей используется метод «тройного лазерно-микроволново-лазерного резонанса» ( подробнее на этом мы остановимся в главе 3). Выполненные к настоящему времени эксперименты относятся к наблюдению сверхтонкой структуры как гелия 4, так и гелия 3. Энергии переходов между состояниями сверхтонкой структуры ( СТС) измеряются по частоте микроволнового излучения (МВИ), индуцирующего эти переходы. Сравнение наблюдаемых межуровневых расстояний, полученных с высокой точностью, с тщательными квантово-электродинамическими расчетами позволяют сделать заключение о верности нашего понимания краеугольных принципов строения природы, таких как симметрия пары вещество-антивещество и СРТ-инвариантность.

Отметим, что на эксперименте наблюдаются переходы в антипротонном атоме, который не изолирован, испытывает упругие и неупругие столкновения с атомами среды, что приводит к необходимости учета влияния среды на эти переходы.

Упомянутые выше эксперименты по изучению антипротонного гелия ставят перед теоретическими исследованиями два типа задач:

I) выполнение высокоточных квантово-электродинамических расчетов уровней энергии и скоростей переходов для изолированного антипротонного атома гелия;

1 Существуют разногласия в терминах, обозначающих расщепление уровней. Здесь и далее мы для простоты весь спектр уровней, обусловленный спин-орбитальным и спин-спиновым взаимодействием при фиксированном п и I в антипротонном гелии, называем сверхтонкой структурой, если специально не оговаривается другое.

II) теоретическое изучение влияния столкновений с атомами среды на времена жизни, заселенности, сдвиги и уширение спектральных линий антипротонного гелия.

На сегодняшний день есть ряд теоретических работ посвященных задачам первого типа, где рассчитаны с высокой точностью уровни антипротонного гелия [9], [10] и сверхтонкое расщепление этих уровней [11], [12] для изолированных атомов.

Ко второму типу относится целое множество задач, соответствующих различным процессам, происходящим при столкновениях антипротонных атомов и ионов с атомами среды. В работе [13] теоретически рассчитывались столкновительные уширение и сдвиги линий Е1-переходов между уровнями антипротонного гелия; в работе [14] исследовалось влияние столкновений между антипротонными и обычными атомами гелия на разрушение состояний антипротонных атомом в процессе их термализации. При анализе экспериментальных данных [15] характеристики столкновительных переходов между состояниями СТС антипротонного гелия использовались как подгоночные параметры во временном эволюционном уравнении для спиновой матрицы плотности СТС.

В настоящей работе впервые построены теоретические модели взаимодействия антипротонных атомов и ионов гелия с атомами Не для расчетов характеристик элементарных процессов столкновений, в частности, скоростей переходов, сдвигов и уширения линий М1-переходов в СТС, которые затем использовались в эволюционных уравнениях для качественного и количественного объяснении соответствующих экспериментальных наблюдений, предсказания результатов возможных новых экспериментов.

Эти задачи представляются особенно интересными и актуальными в настоящее время в связи с необходимостью понимания и количественного объяснения экспериментальных данных. Знание теоретических характеристик соответствующих процессов имеет важное значение для анализа и интерпретации ряда измеряемых величин, а также планирования возможных дальнейших экспериментов.

Основными целями диссертационной работы являются: - формулировка моделей и разработка методов теоретического описания столкновений антипротонных атомов и ионов гелия с атомами Не, анализ кинетики переходов в условиях экспериментов, в том числе при воздействии резонансного МВИ;

- применение теории к интерпретации экспериментальных данных об эффективных скоростях аннигиляции высоковозбужденных состояний антипротонного иона гелия, ширинах спектральных линий переходов между состояниями СТС, о временной зависимости заселенностей этих состояний в присутствии МВИ для антипротонных атомов гелия 4 и гелия 3.

На защиту выносятся следующие основные результаты:

1. Построение модели взаимодействия антипротонного иона гелия с обычным атомом гелия, обоснование и уточнение модели с использованием расчетов ab initio поверхности потенциальной энергии двух электронов в поле трех тяжелых частиц.

2. Разработка метода учета аннигилирующих состояний в задаче связанных каналов.

3. Формулировка модели и количественные теоретические результаты для процесса перезарядки при столкновениях (pHe2+) + He.

4. Расчеты сечений штарковских переходов и аннигиляции для высоковозбужденных состояний (pHe2+) и объяснение наблюдаемых эффективных скоростей аннигиляции антипротонных ионов гелия-3 и 4 после образования в высоковозбужденных состояниях (n=28 - 32).

5. Построение модели взаимодействия антипротонного и обычного атомов гелия с учетом тензорного члена, приводящего к столкновительным переходам между состояниями СТС. Расчеты сечений и скоростей переходов, сдвигов и уширения частот переходов между уровнями СТС.

6. Результаты анализа кинетического уравнения, определяющего временную эволюцию спиновой матрицы плотности состояний СТС, расчеты

W W 4| |

спектральной и временной зависимости сигнала аннигиляции для He и 3He.

В настоящей работе мы будем придерживаться следующего плана представления материала:

- в первой главе дан обзор существующих экспериментов по изучению метастабильных состояний антипротонного гелия и теоретических представлений о его образовании и последующих переходах в нижележащие состояния;

- во второй главе рассмотрены возможные процессы разрушения долгоживущих состояний антипротонного иона гелия при столкновениях, сформулирована модель его взаимодействия с атомами среды, сформулирован метод учета аннигиляционных состояний в квантовой задаче связанных каналов, выполнены расчеты сечений штарковских переходов и индуцированной аннигиляции, теоретически рассмотрен столкновительный процесс перезарядки, когда один из электронов обычного атома гелия

захватывается антипротонным атомом, проведено сравнение теоретической эффективной скорости аннигиляции с экспериментальными данными;

- в третьей главе сформулирована модель взаимодействия нейтрального антипротонного атома гелия с обычным атомом гелия, позволяющая рассматривать влияние столкновений на переходы между состояниями СТС; в результате решения системы уравнений связи каналов получена S-матрица переходов, рассчитаны сечения переходов, сдвиги и уширения спектральных линий СТС как функции энергии, проведено усреднение по тепловому движению для гелия 4;

- четвертая глава посвящена анализу кинетики переходов между состояниями СТС 4Не в условиях эксперимента, т.е. при наличии столкновительных релаксационных процессов и резонансного МВИ; полученные результаты сравниваются с имеющимися экспериментальными данными;

- в пятой главе модель взаимодействия антипротонного атома гелия с атомами среды, развитая в главе 3, применена для расчетов характеристик элементарных процессов столкновения с 3Не; проведен анализ кинетики переходов для этого изотопа, аналогичный выполненному в главе 4 для 4Не; проведено сравнение с имеющимися экспериментальными данными и даны предсказания величин, которые могут быть измерены в возможных экспериментах;

- в заключении сформулированы основные результаты диссертации.

Основные результаты диссертации содержатся в опубликованных

работах: [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30].

Глава 1. Современное состояние изучения метастабильных антипротонных атомов и ионов гелия

1.1. Обзор экспериментов по наблюдению метастабильных состояний антипротонных атомов и ионов гелия

1.1.1. Предыстория наблюдений долгоживущих состояний адронных атомов

Вплоть до 80-х годов прошлого века ( да и позднее) основным методом изучения экзотических атомов было наблюдение рентгеновского излучения после остановки тяжелых отрицательных мюонов и адронов в мишени. Обзоры соответствующих экспериментальных и теоретических работ можно найти в книгах [31], [32], [33].

Для темы настоящей работы следует отметить среди других результатов, в частности, изучение относительной доли распадов и поглощения после остановки отрицательных пионов в водородной пузырьковой камере [34], [35] и отрицательных пионов и каонов в гелиевой [36], [37], [38], выполненное в 60-х годах прошлого века. В этих экспериментах было обнаружено, что доля спонтанно распадающихся пионов в водороде f = 9х10_5 , что приводило к среднему времени каскада = (2.3 ± 0.6)х 10_12с [34]. Это хорошо согласуется с расчетным значением = 3.5х 10_12 с, полученным Леоном и Бете, которые учитывали штарковские и оже-переходы для экзотических атомов в среде [39].

В экспериментах в гелиевой пузырьковой камере с каонами было обнаружено, что около 2% К--мезонов спонтанно распадаются [36], [37], [38]. Расчеты же, проведенные Деем и др. [40], а затем Фетковичем и Певиттом [36] с учетом штарковского смешивания, приводили к временам каскада менее 10_12 с, что заставляло предполагать существование каких-либо специальных механизмов подавления всех переходов. Кондо было предложено объяснение аномально большого времени каскада [41], позднее развитое Расселом [42], согласно которому штарковские и оже-переходы для определенной группы ( метастабильных) орбит подавлены. Эта модель получила прямое экспериментальное подтверждение много лет спустя.

В 1989 г была опубликована работа о наблюдении долгоживущих связанных состояний К--мезонов в жидком гелии, выполненная на 12 ГэВ

протонном синхротроне в Национальной Лаборатории Физики Высоких Энергий (КЕК) в Японии [43]. Исследовалось импульсное распределение продуктов всевозможных реакций в системе ( 4Не - К-) с помощью магнитного спектрометра. Временное разрешение детекторов в этих экспериментах превышало 10-10 с, поэтому продукты реакции ядерного захвата основной части каонов, остановившихся в гелии, давали «мгновенный пик». Изучение временного распределения запаздывающего ядерного поглощения и спонтанного распада показало, что доля частиц, спонтанно распадающихся или претерпевающих ядерное поглощение с задержкой, составляет около 2%, что согласуется с ранними экспериментами в пузырьковой камере.

На установке TRIUMF были проведены подобные эксперименты с п—-мезонами [44] по прямому измерению времени жизни метастабильных состояний. Было показано, что доля распадающихся пионов составляет около 1%, а время захвата на долгоживущие орбиты - около 10 нс, что находится в согласии с данными наблюдений в пузырьковой камере.

Наконец, завершающим этапом серии экспериментальных работ по обнаружению метастабильных состояний адронных атомов явилось исследование запаздывающей аннигиляции после остановки антипротонов в жидком гелии, выполненное в КЕК [1]. Долгоживущая фракция антипротонов составила около 3%.

Суммарные результаты первичных прямых наблюдений долгоживущих состояний представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1. Долгоживущая фракция 1, время спонтанного распада наблюдаемое время распада Ъьз и среднее время каскада Ъгарр для п-, К- и р

Частица Масса (МэВ) f ( %) tfree tobs ttrapp

п- 139.6 2.0 ± 0.3 26.0нс 7.26 ± 0.12 нс 10.0 ± 0.2 нс

K- 493.7 2.0 ± 0.3 12.4нс 9.5 ± 0.3 нс 40 ± 7 нс

Р 938.3 ~3 œ ~3 мкс ~3 мкс

Прямое экспериментальное наблюдение метастабильных антипротонных состояний в гелии явилось отправной точкой для целой серии работ по всестороннему их изучению на базе LEAR (Low Energy Antiproton Ring) в CERN с 1991г [3]. На первом этапе, в первой половине 90-х годов 20-го века, целью подобных экспериментов было определение времени жизни метастабильных состояний в зависимости от физико-химического состояния мишени: исследование зависимости от фазового состояния среды и ее

изотопического состава, от ее плотности, от присутствия примесей. В экспериментах непосредственно наблюдался временной спектр запаздывающей аннигиляции (DATS) антипротонов на ядрах:

DATS = -dN/dt, (1.1)

который описывается единственным параметром - средним временем

удержания Tav ( to):

/^"tNCOdt/ (1.2)

Tav_ 0 //ttomaxNOdt-to.

Значения tmax и t0 определяются только экспериментальными условиями, в

большинстве случаев они составляли 50 мкс и 1 мкс соответственно. Доля

антипротонов, захваченных на долгоживущие орбиты, определялась как:

г _ N(20 нс < t < 50 нс) / (1.3)

Г°гарр _ /Ntotal.

Как оказалось, время удержания сравнительно слабо чувствительно к

состоянию чистого гелия; так Tav (t0=1 мкс) в диапазоне от твердого гелия до

газообразного при температуре порядка нескольких градусов Кельвина и

плотности « 2x10*° см_3 ) меняется от 2 до 4 мкс. Доля частиц,

испытывающих запаздывающую аннигиляции ftrap, так же слабо меняется при

изменении плотности вещества мишени: около 3% для газообразного гелия и

слабо уменьшается до 2.5% для жидкого.

Для гелия 3 долгоживущая фракция антипротонов на 22% меньше, чем

для гелия 4. Характерное время удержания на метастабильных орбитах для

первого в 1.14 раза меньше, чем для последнего, что хорошо укладывается в

простую модель зависимости указанного времени от эффективной массы

систем (pHe) [45]:

Т0гарр~"£п°Хчисло метастабИЛьных ШСГОЯ^Й-

[mr], (1.6)

tn0 - время жизни метастабильного состояния. Это приводит к отношению времен удержания для изотопов:

Ttrapp(4He)/ ^M(p4He)/ (1.7)

/Ttrapp(3He)~ /M(p3He) ~ 1Л4

Экспериментально было обнаружено также уменьшение характерных времен запаздывающей аннигиляции при добавлении в гелиевую среду мишени различных примесей [46], [47], [48].

Инертные газы, кроме ксенона, дают незначительный вклад в скорость разрушения метастабильных состояний при концентрациях примеси до 10%. В то же время добавление даже незначительного количества двухатомных газов O2 и H2 приводит к существенным последствиям (для них сечение

разрушения долгоживущих антипротонных состояний ос на три порядка выше, чем для одноатомных инертных газов); примеси Хе и N2 в этом отношении занимают промежуточное положение.

1.1.2. Прецизионные измерения лазерно-индуцированных переходов в антипротонном гелии

При образовании антипротонных атомов гелия антипротоны выбивают один из lS-электронов гелия и затем занимают связанное состояние в получившейся системе. Захваченные частицы должны обладать приблизительно той же энергией связи, что и выбитый электрон ( подробнее см. далее, п. 1.2), поэтому можно ожидать, что наиболее вероятно заселение антипротонами в гелии высоковозбужденных орбит с главным квантовым числом число n ~ л/тр/те « 40 , где m^ и me - приведенные массы антипротона и электрона соответственно. Для орбит с такими n и большими орбитальными моментами ( круговые и близкие к ним орбиты) оже-переходы сильно подавлены и малы по сравнению с радиационными Ar~106 c_1. Для подобных состояний межуровневое расстояние составляет 79 эВ/п0~2 эВ, что соответствует энергии излучения видимого спектра (~ 600 нм) и позволяет использовать методы лазерной спектроскопии для их изучения. Подобные эксперименты были проведены в ЦЕРНе на LEAR в развитие описанных выше исследований во второй половине 90-х годов прошлого века см., например, [3]).

При использовании лазеров, что подразумевает высокую степень монохроматичности излучения, в изучении экзотических состояний возникает возможность непосредственно наблюдать за конкретными атомными антипротонными состояниями и, в дополнение, что очень важно, «готовить» ( принудительно заселять) для последующего оперирования с ними. Суть использования лазеров в изучении антипротонного гелия - вызвать резонансно-индуцированные E1 переходы между определенными уровнями. Индуцируя переходы между уровнями, находящимися по разные стороны границы метастабильности ( см. рис. 1.1) ( конечный - короткоживущий) можно увидеть пик на временном спектре запаздывающей аннигиляции. Это было обнаружено, например, для следующих переходов (nl) ^ (nT): (37,34) ^ ( 36,33) и (39,35) ^ (38,34) [49], [50]. При этом теоретическая скорость разрушения конечных дочерних) состояний через быстрые оже-переходы

Ya~108 c_1 [51]). Обнаружение подобного пика дает непосредственное свидетельство метастабильности родительского состояния. Сравнивая DATS после лазерного импульса, произведенного в момент времени t2 для двух сред с разной историей ( одна отличается от другой тем, что в момент времени ti < t2 заселенность антипротонного родительского уровня была обеднена аналогичным импульсом), можно определить время жизни и первичную заселенность уровня [52].

Е (а.ч.)

30 35 40 45 50

Рис. 1.1. Энергия уровней нейтрального антипротонного гелия 4. А и В -линии, определяющие границы метастабильности и заселенности, соответственно (см. [53]).

Измерения проводились не только для доминирующих переходов, типа (37,34) ^ ( 36,33), без изменения радиального (вибрационного) квантового числа Дпг = (п — 1 — 1) — (п' — 1' — 1) = 0, но и для подавленных переходов с Дпг=2, таких как: (37,34) ^ ( 38,33), ( 37,35) ^ (38,34) [45].

Как уже было отмечено выше, на времена жизни метастабильных состояний антипротонного гелия сильно влияют примеси двухатомных газов, таких как Н2 и 02. Если примесь кислорода даже в незначительных количествах вызывает быстрое разрушение всех метастабильных состояний, то воздействие примесного водорода избирательно; при быстром разрушении высоких метастабильных орбит, увеличение плотности Н2 только сокращает время жизни у более глубоких, с меньшими п, орбит. Это позволило провести ряд специфических наблюдений: индуцирование переходов с

метастабильной орбиты ni на другую с большим главным квантовым числом n2, тоже метастабильную при отсутствии примесей, но быстро разрушающуюся за счет столкновений с водородом при достаточной его плотности, приводит к всплеску аннигиляции. Подобные опыты по наблюдению обратных переходов (n,l) ^ ( n+1,l+1) в присутствии водородной примеси были выполнены для ряда начальных состояний с n=37, 38 ( hydrogen-assisted inverse resonance - HAIR, когда метастабильными оказываются нижележащие состояния, т.к. вышележащие быстро разрушаются за счет столкновения с примесями, в данном случае - водородом) [49].

1.1.3. Наблюдение сверхтонкой структуры антипротонного атома гелия

С 2000-х годов вначале на LEAR [52], а потом на новой установке AD в ЦЕРН коллаборацией ASACUSA были проведены эксперименты по изучению

W /I W

сверхтонкой структуры антипротонного гелия 4 методом тройного резонансного воздействия (лазер - МВИ - лазер). СТС представляет собой расщепление уровня энергии антипротонного гелия за счет взаимодействия между спином электрона, спином и орбитальным моментом антипротона. Эффективный гамильтониан этого взаимодействия имеет вид [54]:

Heff = Er(L • Se) + E2(L • Sp) + E3(Se • Sp) (1.8)

+ E4[L(L + 1)(Se • Sp) - 6(L • Se)(L • Sp)]

Первый член ( взаимодействие: спин электрона - орбитальный момент антипротона) на два порядка больше второго (взаимодействия спина антипротона с его орбитальным моментом) вследствие малости антипротонного магнитного момента по сравнению с электронным. Вклады третьего и четвертого членов в матричные элементы почти полностью компенсируются. Главный член в (1.8) приводит к расщеплению уровней по угловому моменту F = L + Se , а остальные, слабые, члены - к дополнительному расщеплению по полному моменту J = F + Sp . В экспериментальных работах по изучению антипротонного гелия первый эффект был назван сверхтонким расщеплением (HFS), а второй - суперсверхтонкой структурой ( SHFS). Эти названия не вполне соответствуют терминологии, принятой в атомной физике. В настоящей работе для краткости используется «сверхтонкое расщепление» или «сверхтонкая структура» для обозначения расщепления как по F, так и по J, поскольку это не приведет к путанице в дальнейшем.

В экспериментах индуцировались подавленные (Дпг =2) переходы с метастабильного родительского состояния на оже-доминантную орбиту ( 37,35) ^ (38,34), с соответствующего подуровня СТС на аналогичный конечного состояния ( см. рис. 1.2) ( переходы £ и f+).

Рис. 1.2. Схема проведения лазеро-микроволново-лазерных прецизионных измерений. Стрелками показаны лазерно-индуцированные переходы из родительских состояний с доминирующими радиационными переходами в дочерние состояния, где возможны быстрые оже-переходы. Волнистые линии - переходы, индуцируемые микроволновым излучением (см. [7]).

В работах наблюдались два близких резонансных пика соответствующих частотам f_ и , а также процессы релаксации заселенности одного из подуровней после лазерно-индуцированного перехода в присутствии микроволнового излучения с частотой, соответствующей величине расщепления = 10-15 ГГц и без такового [7]. Мы не будем подробно останавливаться в настоящем разделе на описании данного эксперимента и его результатов, так как некоторые теоретические аспекты процессов релаксации заселенности подуровней будут детально рассмотрены позднее, в главах 3, 4. Отметим лишь, что величины расщеплений СТС, теоретически рассчитанные в работах [54], [55], согласуются с экспериментальными данными.

1.1.4. Лазерно-спектроскопические эксперименты с антипротонными ионами гелия

В начале 2000-х годов коллаборацией ASACUSA была выполнена еще одна серия измерений по наблюдению DATS в антипротонных ионах гелия в зависимости от плотности среды и ее изотопического состава [5], [56]. Для получения определенного состояния иона pHe2+ индуцировались переходы в антипротонном атоме гелия, например, из метастабильного родительского состояния ( 39,35) в короткоживущее ( несколько нс) (38,34), откуда, в свою очередь, за счет быстрого оже-перехода антипротон попадает на уровень ( 32,31), но уже иона гелия. При обычных плотностях, использовавшихся в экспериментах по наблюдению антипротонного гелия, р~1020 см_3, время жизни иона против аннигиляции оказалось менее 10 нс. Однако время жизни t возрастает до сотен наносекунд при низких плотностях. Экстраполяции наблюдаемых данных в окрестность р~0 дает t~ 300 - 500 нс. Таким методом были проведены эксперименты по образованию и наблюдению ионных состояний с n=28 - 32 для различных изотопов гелия 3He и 4Не при плотностях среды р~3 * 1018 ^ 1018 см_3 . Соответствующие зависимости скорости разрушения состояний от плотности при данном n линейно возрастают с ростом плотности и выходят на насыщение при р~1019 см_3. Был обнаружен также существенный изотопический эффект: отличие темпов роста скоростей разрушения с р (в зоне линейного роста) и различие их зависимостей от главного квантового числа для 3He и 4Не. Дальнейшее обсуждение этого эксперимента будет продолжено в основной части работы ( см. гл. 2).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Юдин, Сергей Николаевич, 2018 год

Список литературы

[1] M. Iwasaki et al. Discovery of antiproton trapping by long-lived metastable states in liquid helium // Phys. Rev. Lett., vol. 67, p. 1246, 1991.

[2] T. Yamazaki et al. Formation of long-lived gas-phase antiprotonic helium atoms and quenching by H2 // Nature (London), vol. 361, pp. 238-240, 1993.

[3] T. Yamazaki et al. Antiprotonic helium // Physics Reports, vol. 366, pp. 183-392, 2002.

[4] R.S. Hayano et al. Antiprotonic helium and CPT-invariance // Rep. Prog. Phys., vol. 70, pp. 1995-2065, 2007.

[5] M. Hori et al. Observation of Cold, Long-Lived Antiprotonic Helium Ions // Phys. Rev. Lett., vol. 94, p. 063401, 2005.

[6] E. Widmann et al. Hyperfine Structure of Antiprotonic Helium Revealed by a Laser-Microwave-Laser Resonance Method // Phys. Rev. Lett., vol. 89, p. 243402, 2002.

[7] T. Pask et al. Improved study of the antiprotonic helium hyperfine structure // J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., vol. 41, p. 081008, 2008.

[8] T. Pask et al. Antiproton magnetic moment determined from the HFS of pHe // Phys. Lett. B, vol. 678, pp. 55-59, 2009.

[9] V.I. Korobov. Variational calculation of energy levels in pHe+ molecular systems // Phys. Rev. A, vol. 54, p. R1749, 1996.

[10] V. I. Korobov. Antiprotonic helium spectroscopy. Toward better than 10 digit precision // Hyp. Inter., vol. 229, no. 1-3, pp. 97-103, 2014.

[11] D. Bakalov and V. Korobov. Hyperfine structure of antiprotonic helium energy levels // Phys. Rev. A, vol. 57, p. 1662, 1998.

[12] Y.Kino et al. High-Precision Calculation of the Fine and Hyperfine Structure Splittings of Antiprotonic Helium-3,4 // Hyper. Int., vol. 146, no. 1-4, p. 331-336, 2003.

[13] D. Bakalov et al. Density Shift and Broadening of Transition Lines in Antiprotonic Helium // Phys. Rev. Lett., vol. 84, p. 2350, 2000.

[14] S. Sauge, P. Valiron. Collisional survival of antiprotonic helium atoms // Chem. Phys., vol. 265, pp. 47-61, 2001.

[15] S. Friedreich et al. Microwave spectroscopic study of the hyperfine structure of antiprotonic 3He // J. Phys. B, vol. 46, p. 125003, 2013.

[16] G. Ya. Korenman, S. N. Yudin On the theory of formation and decay of metastable states of kaonic helium atoms // Письма в ЖЭТФ, vol. 58, pp. 10-14, 1993.

[17] G.Ya. Korenman, N.P. Yudin, S.N. Yudin. Collisional effects on HFS transitions of antiprotonic helium // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section B, vol. 214, pp. 94-97, 2004.

[18] G.Ya. Korenman, S.N. Yudin. Coupled-channel analysis of collisional effects on HFS transitions in antiprotonic helium atoms // Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, vol. 39, pp. 1473-1484, 2006.

[19] G.Ya. Korenman, S.N. Yudin. Collisions of cold antiprotonic helium atoms and ions with ordinary helium atoms // Journal of Physics: Conference Series, vol. 88, pp. 1-6, 2007.

[20] G. Ya. Korenman, S. N. Yudin. Collisional effects on HFS transitions of antiprotonic helium // Hyperfine Interactions, vol. 194, pp. 29-35, 2009.

[21] G. Ya. Korenman, S. N. Yudin. Collisional transitions between HFS statesof antiprotonic 3He in the presence of microwave radiation // Hyperfine Interactions, vol. 209, pp. 21-24, 2012.

[22] G. Ya. Korenman, S.N. Yudin. Theory of Formation and Decay of Metastable States of Hadronic Helium Atoms // Few-Body Systems. Suppl, vol. 7, pp. 204-207, 1994.

[23] G.Ya. Korenman, S.N. Yudin. Theory of formation and decay of hadronic helium atom metastable states // Proc. of 14th Europian conference of few body problems in physics, Amsterdam, Netherland, 1993.

[24] G.Ya. Korenman, S.N. Yudin. Annihilating States in Close-Coupling Method for Collisions between Hadronic and Ordinary Atoms // Proc. of International Conf. on Muon Catalyzed Fusion and Related Topics (MCF-07), Dubna, JINR, 2008.

[25] G.Ya. Korenman, S.N. Yudin. Collisional Stark Transitions and Induced Annihilation of Cold Antiprotonic Helium Ions // Proc. of International Conf. on Muon Catalyzed Fusion and Related Topics (MuCF-07), Dubna, JINR, 2008.

[26] G.Ya.Korenman, N.P.Yudin, S.N.Yudin. Collisional Effects on HFS Transitions of Antiprotonic Helium // arXiv:nucl-th, vol. 1, no. 0312082, 2003.

[27] G.Ya. Korenman, S.N. Yudin. Antiprotonic hydrogen in static electric field // arXiv:nucl-th, vol. 1, no. 0501032, 2005.

[28] G.Ya. Korenman, S.N. Yudin. Annihilating States in Close-Coupling Method for Collisions between Hadronic and Ordinary Atoms // arXiv:nucl-th, vol. 1, no. 0711.4048, 2007.

[29] G.Ya. Korenman, S.N. Yudin. Collisional Stark Transitions and Induced Annihilation of Cold Antiprotonic Helium Ions // arXiv:nucl-th, vol. 1, no. 0711.4505, 2007.

[30] S.N. Yudin, I.V. Bodrenko, and G.Ya. Korenman. Interaction between antiprotonic helium ion and He atom: Potential Energy Surface ( amended) // arXiv:nucl-th, no. 1612.03874, 2017.

[31] В.В. Балашов, Г.Я. Коренман, Р.А. Эрамжян. Поглощение мезонов атомными ядрами. - М: Атомиздат, 1976.

[32] Е. Ким. Мезонные атомы и ядерная структура. - М: Атомиздат, 1975.

[33] В.Г. Кириллов-Угрюмов, Ю.П. Никитин, Ф.М. Сергеев. Мезоны и атомы. - М: Атомиздат, 1980.

[34] T.H. Fields et al. Cascade Time of n- in Liquid Hydrogen // Phys. Rev. Lett., vol. 5, p. 69, 1960.

[35] J.H. Doede et al. Moderation and Absorption Times of Negative Pions in Liquid Hydrogen // Phys. Rev., vol. 129, p. 2808, 1963.

[36] J.G. Fetkovich, E.G. Pewitt. Experimental Study of the Cascade Time of Negative Mesons in a Liquid Helium Bubble Chamber // Phys. Rev. Lett., vol. 11, p. 290, 1963.

[37] M.M. Block et al. Moderation Time for Nuclear Capture of Negative Pions in Liquid 4He // Phys. Rev. Lett., vol. 11, p. 301, 1963.

[38] J.G. Fetkovich et al. Measurement of the K- Cascade Time in Liquid Helium // Phys. Rev. D, vol. 2, p. 1803, 1970.

[39] M. Leon, H.A. Bethe. Negative Meson Absorption in Liquid Hydrogen // Phys. Rev., vol. 127, p. 636, 1962.

[40] T.B. Day. K-- meson capture by helium // Il Nuоvo Cimento, vol. 18, pp. 381-394, 1960.

[41] G.T. Condo. On the absorption of negative pions by liquid helium // Phys. Lett., vol. 9, pp. 65-66, 1964.

[42] J.E. Russell. Interactions of an aK-e - Atom with a He Atom // Phys. Rev., vol. 188, p. 187, 1969.

[43] T. Yamazaki et al. Trapping of negative kaons by metastable states during the atomic cascade in liquid helium // Phys. Rev. Lett., vol. 63, p. 1590, 1989.

[44] S.N. Nakamura et al. Negative-pion trapping by a metastable state in liquid helium // Phys. Rev. A, vol. 45, p. 6202, 1992.

[45] T. Yamazaki, K. Ohtsuki. Atomic core-polarization effects in metastable hadronic helium atoms // Phys. Rev. A, vol. 45, p. 7782, 1992.

[46] E. Widmann et al. Effects of impurity atoms and molecules on the lifetime of antiprotonic helium atoms // Phys. Rev. A, vol. 53, p. 3129, 1996.

[47] V.G. Ableev et al. Changes in the Annihilation's delay time distribution of stopped antiprotons in helium gas, due to contaminants // Nuovo Cimento A, vol. 107, p. 1325, 1994.

[48] A. Bertin et al. Changes in the annihilation delay time distribution of stopped antiprotons in helium gas, due to contaminants // Nuovo Cimento A, vol. 110, p. 419, 1997.

[49] N. Morita et al. First observation of laser-induced resonant annihilation in metastable antiprotonic helium atoms // Phys. Rev. Lett., vol. 72, p. 1180, 1994.

[50] F.E. Maas et al. Laser-induced resonant transition at 470.724 nm in the v=n-l-1=2 cascade of metastable antiprotonic helium atoms // Phys. Rev. A, vol. 52, p. 4266, 1995.

[51] V.I. Korobov, I. Shimamura. Auger transition rates for metastable states of antiprotonic helium He+p // Phys. Rev. A, vol. 56, p. 4587, 1997.

[52] E. Widmann et al. Hyperfine structure of the metastable pHe+ atomcule revealed by a laser-induced ( n, l) = (37, 35) ^ (38, 34) transition // Phys. Lett. B, vol. 404, pp. 1519, 1997.

[53] G. Ya. Korenman. Метастабильные состояния pHe+: динамика образования и тушения в столкновениях // Ядерная физика, vol. 59, pp. 1720-1722, 1996.

[54] V. Korobov, D. Bakalov. Fine and hyperfine structure of the (37, 35) state of the 4He+p atom // J. Phys. B, vol. 34, p. L519, 2001.

[55] N. Yamanaka et al. Coupled rearrangement channel calculation of the fine and hyperfine structures of the antiprotonic helium atom // Phys. Rev. A, vol. 63, p. 012518, 2000.

[56] ASACUSA status report. CERN/SPSC 2004-003 SPSC-M-71, ASACUSA progress during 2003 and plans for 2004, 2004.

[57] J. S. Cohen. Capture of negative exotic particles by atoms, ions and molecules // Rep. Prog. Phys., vol. 67, pp. 1769-1819, 2004.

[58] E. Fermi, E. Teller. The Capture of Negative Mesotrons in Matter // Phys. Rev., vol. 72, p. 399, 1947.

[59] A.S. Wightman. Moderation of Negative Mesons in Hydrogen I: Moderation from High Energies to Capture by an H2 Molecule // Phys. Rev., vol. 77, p. 521, 1950.

[60] G.Ya. Korenman. The effective interaction of a slow negative meson with a hydrogen-atom - infinite repulsion at finite distances // Soviet Journal of Nuclear Physics, vol. 35, pp. 224-229, 1982.

[61] J. S. Cohen. Slowing down and capture of negative muons by hydrogen: Classical-trajectory Monte Carlo calculation // Phys. Rev. A, vol. 27, p. 167, 1983.

[62] J. S. Cohen, R. L. Martin and W. R. Wadt. Diabatic-state treatment of negativemeson moderation and capture. II. Mixtures of hydrogen and helium // Phys. Rev. A, vol. 27, p. 1821, 1983.

[63] V.K. Dolinov et al. Atomic capture of negative muons and hadron in helium // Muon Catalyzed Fusion, vol. 4, pp. 169-182, 1989.

[64] G. Ya. Korenman. Effects of collisions on antiprotonic helium metastable states // INP MSU Preprint, Vols. 97-1/452, 1997.

[65] W.A. Beck, L. Wilets and M.A. Alberg. Semiclassical description of antiproton capture on atomic helium // Phys. Rev. A, vol. 48, p. 2779, 1993.

[66] G.Ya. Korenman. Mechanisms and kinetics of exotic atom formation in hydrogen and helium // Hyperfine Interactions, vol. 101, pp. 81-89, 1996.

[67] L.P. Presnyakov and A.M. Urnov. Quantum transitions between highly excited atomic levels induced by external time-dependent forces // J. Phys. B, vol. 3, p. 1267, 1970.

[68] D. Richards. Transition amplitudes for transitions between highly excited states // J. Phys. B, vol. 5, p. L53, 1972.

[69] J.E. Russell. Metastable States of a n -e- , a K-e-, and ape- Atoms // Phys. Rev. Lett., vol. 23, p. 63, 1969.

[70] J.E. Russell. Structure of Neutral Mesonic Atoms Formed in Liquid Helium // Phys. Rev. A, vol. 1, p. 721, 1970.

[71] K. Omidvar. Transition probabilities and branching ratios for electric-dipole transitions between arbitrary levels of hydrogen-like atoms // Atomic Data and Nuclear Data Tables, vol. 28, p. 1-20, 1983.

[72] N. Morita, K. Ohtsuki, T. Yamazaki. Laser spectroscopy of metastable antiprotonic helium atomcules // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A, vol. 330, pp. 439-446, 1993.

[73] V.I. Korobov, D.D. Bakalov. Energies and Relativistic Corrections for the Metastable States of Antiprotonic Helium Atoms // Phys. Rev. Lett., vol. 79, p. 3379, 1997.

[74] V.I. Korobov. Antiprotonic helium "atomcule": relativistic and QED effects // Nucl. Phys. A, vol. 689, p. 75, 2001.

[75] Y. Kino, M. Kamimura, H. Kudo. Non-adiabatic high-precision calculation of antiprotonic helium atomcules // Hyperfine Inter., vol. 119, p. 201, 1999.

[76] Y. Kino, M. Kamimura, H. Kudo. High-accuracy 3-body coupled-channel calculation of metastable states of antiprotonic helium atoms // Nucl. Phys. A, vol. 631, p. 649, 1998.

[77] H.A. Salpeter and E.E. Bethe. Quantum Mechanics of One- and Two-Electron Atoms. - NY: Plenum, 1977.

[78] M. Hori et al. Direct Measurement of Transition Frequencies in Isolated pHe+ Atoms, and New CPT -Violation Limits on the Antiproton Charge and Mass // Phys. Rev. Lett., vol. 91, p. 123401, 2003.

[79] R. Landua, E. Klempt. Atomic Cascade of Muonic and Pionic Helium Atoms // Phys. Rev. Lett., vol. 48, p. 1722, 1982.

[80] C. J. Batty, E. Friedman, A. Gal. Unified optical-model approach to low-energy antiproton annihilation on nuclei and to antiprotonic atoms // Nuclear Physics A, vol. 689, pp. 721-740, 2001.

[81] M. Schneider et al. X-Rays from Antiprotonic 3He and 4He // Z. Phys. A, vol. 338, pp. 217-222, 1991.

[82] J.E. Russell. Quenching of the He^+ ( 2s) atom // Phys. Rev. A, vol. 34, p. 3865, 1986.

[83] J. Cohen. Question of why metastable muonic helium is not quenched // Phys. Rev. A, vol. 25, p. 1791, 1982.

[84] S. Sauge, P. Valiron. Quenching of cold antiprotonic helium atoms by collisions with H2 molecules // Chemical Physics, vol. 283, pp. 433-453, 2002.

[85] T. H. Dunning. Gaussian basis sets for use in correlated molecular calculations. I. The atoms boron through neon and hydrogen // J. Chem. Phys., vol. 90, p. 1007, 1989.

[86] Extensible Computational Chemistry Environment Basis set Database, Version 02/02/06 (EMSL), http://www.emsl.pnl.gov/forms/basisform.html. Current version of the database is at https://bse.pnl.gov/bse/portal.

[87] A. Artemyev et al. Basis set convergence studies of Hartree-Fock calculations of molecular properties within the resolution of the identity approximation // J. Chem. Phys., vol. 123, p. 024103, 2005.

[88] A. V. Nikolaev et al. Theoretical study of molecular electronic excitations and optical transitions of C 60 // Phys. Rev. A, vol. 77, p. 012503, 2008.

[89] L. C. D.M. Bishop. A theoretical investigation of HeH+ // J. Mol. Spectr., vol. 75, p. 462, 1979.

[90] M. Jurek, V. Spirko, W.P. Kraemer. Ab initio determination of the rate coefficient for radiative association of He (1S) + H+ // Chemical Phys., vol. 193, pp. 287-296, 1995.

[91] N. F. Mott, H. S. W. Massey. The Theory of Atomic Collisions. 3rd Edition. -Oxford: Oxford University Press, 1965.

[92] Е.Е.Никитин, С.Я. Уманский. Неадиабатические переходы при медленных атомных столкновениях. - М: Атомиздат, 1979.

[93] W.P. Kraemer, V. Spirko, M. Jurek. Formation of HeH+ by radiative association of He+ + H. An advanced ab initio study // Chem. Phys. Lett., vol. 236, pp. 177-183, 1995.

[94] В.В. Балашов, Н.М. Кабанчик, Г.Я. Коренман и др. Теоретический практикум, часть 2. - М: Издательство Московского университета, 1979.

[95] N.Yamanaka et al. Coupled rearrangement channel calculation of the fine and hyperfine structures of the antiprotonic helium atom // Phys. Rev. A, vol. 63, p. 012518, 2000.

[96] G.Ya. Korenman. Theoretical analysis of collisional shift and broadening of antiprotonic helium spectral lines // Hyperfine Int., vol. 119, pp. 227-233, 1999.

[97] I. Shimamura. Moleculelike metastable states of antiprotonic and mesic helium // Phys. Rev. A, vol. 46, p. 3776, 1992.

[98] G. Peach. Collisional broadening of spectral lines Atomic, Molecular and Optical Physics Handbook. - NY: AIP, G W F Drake, 1996.

[99] K. Blum. Density Matrix Theory and Applications. - New York and London: Plenum, 1981.

[100] V.I. Korobov. Antiprotonic helium "atomcule": Relativistic and QED effects // Nucl. Phys. A, vol. 684, pp. 663-665, 2001.

[101] S. Friedreich et al. First observation of two hyperfine transitions in antiprotonic 3He // Physics Letters B, vol. 700, pp. 1-6, 2011.

[102] S. Friedreich et al. Microwave spectroscopy measurements of the hyperfine structure in antiprotonic 3He // Hyperfine Int., vol. 212, pp. 167-177, 2012.

[103] V. Korobov. Hyperfine structure of metastable states in 3He + p atom // Phys. Rev. A, vol. 73, p. 022509, 2006.

[104] Y. Kino et al. High-Precision Calculation of the Fine and Hyperfine Structure Splittings of Antiprotonic Helium-3,4 Atoms // Hyperfine Interactions, vol. 146, pp. 331336, 2003.