Група європейських фізиків виявила несподіване звуження ширини спектральних ліній антипротонного гелію, тобто екзотичного атома, що складається з електрону, антипротона і ядра гелію, зануреного в надплинний гелій. Ефект вимагатиме врахування колективних ефектів на ширини ліній, а також відкриває дорогу до спектроскопічного дослідження інших екзотичних атомів. Дослідження опубліковано в.
Однією з головних невирішених проблем фізики донині залишається асиметрія матерії та антиматерії у Всесвіті. Її можна було б пояснити відмінністю їх фізичних властивостей. Фізики активно шукають ці відмінності в безлічі різноманітних експериментів, з кожним десятиліттям збільшуючи точність і накладаючи на них все більш суворі обмеження (докладніше про антиматерію читайте в матеріалі «З точністю до навпаки»).
Важливим інструментом на цьому шляху стала прецизійна атомна спектроскопія. Її перевагами виявилися високий технічний рівень експерименту і опрацьованість теорії, яка дозволяє робити дуже точні передбачення. Ми вже розповідали, як таким чином фізики перевіряли відмінність антиводню від звичайного водню. В антиводні і протон, і електрон замінені на свої власні античастинки: антипротон і позитрон.
Можливо, однак і гібридна ситуація, коли до складу атома входять як частинки, так і античастинки. Прикладом такого атома став антипротонний гелій - екзотичний атом, що являє собою нейтральний атом гелію, в якому один з електронів замінений на антипротон. В оптичних спектрах таких атомів також шукають порушення симетрії. Ключовими параметрами при цьому виступають ширини спектральних ліній, від яких залежить точність експерименту. Їх уширяє практично все, з чим взаємодіють атоми, в тому числі і зіткнення один з одним. Через це вчені намагаються проводити такі експерименти в максимально розрідженому середовищі.
Тим дивнішим виявився результат експерименту, придуманого Масакі Хорі (Masaki Hori) з Інституту квантової оптики суспільства Макса Планка і виконаного ним разом з колегами з Німеччини, Італії та Швейцарії. Фізики виявили, що ширини спектральних ліній антипротонного гелію, зануреного в надплинний рідкий гелій, за деяких умов починають звужуватися, досягаючи субгігагерцових значень. Це відкриває дорогу до спектроскопічного дослідження інших типів екзотичних атомів, які не можна швидко уповільнити і охолодити традиційними методами, але можна вловити пастками з рідкого гелію.
Для створення атомів антипротонного гелію автори направляли пучок античастинок з енергіями кілька мегаелектронвольт в запечатані камери з рідким гелієм, де ті гальмувалися і з деякою ймовірністю утворювали екзотичні атоми. Антипротон при цьому заміщує один з гелієвих електронів, потрапляючи на ридбергівську орбіту, тобто орбіту з великими значеннями головного і орбітального квантових чисел. Великий радіус такої орбіти захищає атом від анігіляції антипротона з ядром.
В ізольованих умовах антипротон відчуває каскадний спуск на нижчі орбіти, що призводить до емісії оже-електронів і рентгенівських квантів, який завершується взаємодією з ядром. Однак при наявності інших атомів по сусідству, більш імовірним каналом розпаду антипротонного гелію стає анігіляція античастинки з їх ядрами. Примітно, що електрон, що знаходиться в основному стані в екзотичному атомі, здатний екранувати його від цього процесу, якщо його радіус орбіти більше такого у протона, який, в свою чергу, залежить від головного квантового числа (це відбувається при рівному 30-40). Той факт, що оптичні переходи між орбітами практично не впливають на розмір орбіти електрона і тому залишають антипротон захищеним, дав фізикам підставу очікувати, що ширини відповідних ліній залишаться вузькими навіть у рідкому гелії.
Для перевірки цієї гіпотези автори стимулювали переходи антипротонного гелію зі статків (,) = (37, 35) і (39, 35) до стану (38, 34) двома лазерами з довжинами хвиль 726 і 597 нанометрів, відповідно. Кінцевий стан відчуває оже-розпад з утворенням крихкого іона, який в досвіді швидко руйнувався від зіткнень з атомами рідини. Звільнений антипротон одразу ж анігілював з утворенням заряджених піонів, присутність яких фіксували акрилові черенківські детектори.
Вчені злегка відбудовували частоти лазерів в околиці резонансу і стежили за числом відліків детекторів для газоподібного і рідкого гелію. У першому випадку поведінка спектральних ліній демонструвала звичну залежність від тиску: з його зростанням ширина збільшувалася, розмиваючи надтонкий квадруплет, викликаний спін-спиновою взаємодією між електроном і антипротоном.
У рідкому гелії, який володіє фазовим переходом в надплинний стан (гелій-II) при 2,17 кельвін, фізики знайшли аномалію. Якщо залежність ширин від температури в гелії-I мала експоненційний характер, то в гелії-II вона мала мінімум в діапазоні 1,7-1,9 кельвін. Ширина резонансу на 729 нанометрах при цьому склала приблизно 0,9 гігагерц, а на 597 нанометрах - приблизно 1,1 гігагерц, що на порядок менше, ніж того передбачають розрахунки на основі ударного уширення в бінарних зіткненнях. Схожа аномалія спостерігалася і для зрушень ліній.
Автори зробили висновок, що на ширини ліній в надплинному гелії впливають колективні ефекти, які не спостерігаються в звичайних атомах через зміну їх електронних оболонок при оптичних переходах. Це означає, що подібний ефект можна буде виявити в інших екзотичних атомах, наприклад, піонному, каонному або антидейтронному гелії, а значить точніше їх досліджувати за допомогою спектроскопії.
В атомі антипротонного гелію античастинка відіграє таку ж роль, яку в звичайних атомах відіграють електрони. Подібна ситуація вже знайома фізиці: ми раніше писали про відкриття суперійного льоду, в якому протони вільно переміщуються по решітці з іонів кисню.