Центр теоретической физики САФУ им. М.В. Ломоносова

Использование интенсивных электромагнитных полей для управления экзотическими атомами и их компонентами

Ловушки и накопители экзотических атомов и их компонентов

  Элементарные процессы  с  участием экзотических атомов

Научно-образовательный курс для школьников и школьных учителей по новейшим направлениям физики и технологий

(4 часа лекций)

Изложено описание экзотических атомов, их получение, использование и представлены процессы с их участием.

Экзотические атомы и АНТИМАТЕРИЯ

Атомы, из которых состоят окружающие нас предметы и мы сами, состоят из ядер и электронов. Заряженное ядро содержит протоны и нейтроны. К настоящему времени были получены необычные атомы, содержащие мюоны, позитроны, адроны и получать с их помощью дополнительную информацию о свойствах атомов и ядер.

Экзотический атом — это связанный или квазиста­ционарный комплекс, который получается в результате посадки тяжелой отрицательно заряженной частицы X (X = μ, π—  К, ,...) на обычный атом. Иногда к экзотическим атомам относят также антиводород (е+), мюоний (μ+е) и другие системы. Впервые это понятие было введено Ферми, Теллером и Уилером  для объяснения эксперимента, в котором было обнаружено, что в веществах, состоящих из тяжелых атомов (Z> 1, А > 1, где Z, A – соответственно зарядовое и массовое число ядра атома), время жизни отрицательных мюонов сущест­венно меньше, чем у свободных мюонов. Было показано, что мюоны замедляются в веществе и, заменяя электрон из атома, образуют возбужденные мюонные атомы. Образование мюонного мезоатома обусловлено кулоновским взаимодействием между отрицательно заряженным мезоном и положительно заряженным ядром. Таким образом, образование мезоатомов происходит в большей мере с тяжелыми атомами, в то время как с легкими весьма затруднено. Размер начальной орбиты мюона (так же, как и для любой другой частицыX) порядка боровского радиуса a0 и, соответственно, эти состояния характери­зуются большими квантовыми числами l~п ~ ~ 15. Попав на один из мезоатомных уровней, мезон переходит на более низкие, излучая, как правило, относительно жесткие фотоны. Таким образом, происходят каскадные процессы релаксации мезоатомов, в результате которых мезоны переходят на нижние орбиты n~ 1, размер которых (~а0тe/(Zmμ)) мал по сравнению с электронными орбитами. В этих состояниях вероятность нахождения мюона в области ядра значительна и вследствие слабого взаимодействия с нуклонами резко увеличивается ско­рость (вероятность в единицу времени) захвата мюона ядрами. Торможение и каскад происходят в течение времени τe ~ 10-12 с, т.е. быстро по сравнению со време­нем жизни мюона (τμ ~ 10-6 с), чем и объясняются результаты. Основу физики экзотических атомов составляет поиск редких распадов и реакций с уже известными частицами, обнаружение нарушений фундаментальных свойств симметрии, изучение атомных и молекулярных процессов с участием экзотических атомов. В этих исследованиях приме­няются ускорители с интенсивными пучками и сравни­тельно малыми энергиями частиц. Физика экзотических атомов весьма обширна и разнообразна, и поэто­му не случайно во всех обзорах по этой теме выделены какие-то отдельные области.

Основными целями физики экзотических атомов, или, по-другому, физики промежуточных энергий является поиск редких распадов и реакций с уже известными частицами, обнаружение нарушений фундаментальных свойств симметрии, изучение атомных и молекулярных процессов с участием экзотических атомов, проверка теоретических моделей. В этих исследованиях приме­няются ускорители с интенсивными пучками и сравни­тельно малыми энергиями частиц. Физика экзотических атомов весьма обширна и разнообразна, и поэто­му не случайно во всех обзорах по этой теме выделены отдельные области.

По объектам исследования физику экзотических атомов можно разделить на три больших направления: физика мюонных атомов и молекул, физика адронных атомов и гиперядер, эксперименты по получению и изучению свойств антиводорода и сравнению этих свойств с водородом.

http://t-human.com/journal/wp-content/uploads/2011/02/qxx.jpg

Позитроний

http://contur.ucoz.ru/kona/1304.gifПозитроний

Позитроний (Ps) − это связанная квантовомеханическая система, состоящая из электрона и позитрона.   Характеристики различных состояний позитрония можно получить из аналогичных характеристик атома водорода, исходя из того, что протон заменяется позитроном, что приводит к уменьшению приведенной системы из электрона и позитрона в два раза по сравнению с приведенной массой атома водорода. Энергии состояний с главным квантовым числом n в атоме позитрония определяются соотношением

Где  – постоянная тонкой структуры,   - приведенная масса электрона в атоме позитрония, с – скорость распространения света в вакууме, n – главное квантовое число, R = 13.602 эВ − постоянная Ридберга.
    Соответственно, энергии переходов в позитронии примерно в два раза меньше, чем энергии соответствующих переходов в атоме водорода, а длины волн излучения λ в два раза больше. Радиус боровской орбиты атома позитрония R(Ps) в два раза больше радиуса боровской орбиты атома водорода R(H)

    Потенциал ионизации позитрония 6.77 эВ, что вдвое меньше потенциала ионизации атома водорода. Так как спины электрона и позитрона равны s = 1/2, в основном связанном состоянии возможны два значения спина позитрония S(Ps).

    S = 0 - cпины электрона и позитрона направлены в противоположные стороны. Это состояние называется парапозитронием. S = 1 - cпины электроны и позитрона направлены в одну сторону. Это состояние называется ортопозитронием.

    При взаимодействии неполяризованных электрона и позитрона вероятность образования состояния со спином S(Ps) = 1 в три раза больше, чем вероятность образования состояния со спином S(Ps) = 0, что объясняется бóльшим статистическим весом g = 2S + 1 состояния S = 1 по сравнению с состоянием S = 0.
    Время жизни позитрония зависит от его суммарного спина. Среднее время жизни покоящегося парапозитрония в вакууме относительно аннигиляции 125 пс, ортопозитрония − 143 нс. Такое большое различие времени жизни обусловлено тем, что в результате аннигиляции парапозитроний может распадаться на два γ‑кванта, в то время как ортопозитроний распадается на три γ‑кванта
c суммарной энергией .   Возможна также аннигиляция парапозитрония на большее четное число фотонов, а ортопозитрония на большее нечетное число фотонов.

http://nuclphys.sinp.msu.ru/antimatter/images/ant07_01.gif

Рис. 1. Диаграмма Фейнмана для аннигиляции парапозитрония (слева) и ортопозитрония (справа)

Мюоний

Мюоний – связанная квантовая система, состоящая из положительно заряженного мюона μ+ и электрона e-. Мюоний отличается от атома водорода заменой протона на положительно заряженный мюон μ+. Мюоний образуется при торможении мюонов μ+ в веществе. Мюон может присоединить один из электронов электронной оболочки атома среды, образуя связанное состояние μ+e-. Время жизни мюония определяется средним временем жизни мюона τ(μ) = 2.2·10-6 с. Уровни энергии мюонного атома En можно рассчитать на основе нерелятивистского уравнения Шредингера

где R = 13.6 эВ − постоянная Ридберга, n = 1,2,3, ... − главное квантовое число.
    Радиус боровской орбиты мюония
a0 = 0.532 Å. Потенциал ионизации атома мюония Eи = 13.54 эВ. Мюоний − это простейшая система, состоящая из лептона e- и антилептона μ+, связанная электромагнитным взаимодействием. Поэтому прецизионное измерение тонкой структуры спектра мюония является одним из точных методов проверки квантовой электродинамики. Так как электрон и мюон являются фермионами имеющими спин s = 1/2 их суммарное значение спина  может принимать значение s= 0 или s = 1 (спины фермионов могут быть либо антипараллельны, либо параллельны). В 75% случаев атомы мюония образуются в состоянии с параллельными спинами мюона и электрона и в 25% случаев суммарный спин мюония равен нулю. Энергии этих состояний различаются на ~2·10-5 эВ и между ними возможны квантовые переходы с испусканием фотонов с частотой ν = 4463 МГц. Энергетическое расщепление состояний vecb_F= 0,vec_1 обусловлено взаимодействием между магнитными моментами электрона e- и мюона μ+..
    Одним из эффективных способов образования мюона μ+ является образование μ+ в результате распада положительно заряженных пионов

π+ → μ+ + νμ.

Так как распад пиона происходит в результате слабого взаимодействия, в системе покоя пиона спин мюона направлен преимущественно против направления импульса мюона.

http://nuclphys.sinp.msu.ru/antimatter/images/ant07_03.gif
Рис. 2. Ориентации импульсов pμ, pν и спинов sμ, sν μ+‑мюона и мюонного нейтрино νμ, образующихся при распаде π+-мезона.

Распад положительно заряженного мюона сопровождается появлением позитрона и двух нейтрино

μ+ → e+ + νe + антинейтриноμ.

    Позитроны e+ испускаются преимущественно в направлении спина мюона. Это свойство слабых взаимодействий позволяет определить направление спина мюона.
    Поведение мюонных атомов в различных средах зависит от скорости различных химических реакций с участием мюонных атомов. Приведенная масса мюония и радиус мюонного атома практически совпадают с соответствующими величинами атома водорода, поэтому изучая поведение мюония в веществе, можно получить дополнительную информацию о взаимодействии атомарного водорода.

Мюонные атомы

    Мюонный атом – атомо-подобная система, состоящая из атомного ядра и отрицательно заряженного мюона (μ-), которая, как правило, содержит ещё несколько электронов. Свойства мюонного атома подобны свойствам обычного водородоподобного атома с зарядом ядра Ze, различия же обусловлены отличием массы мюона  от массы электрона mе ( = 206,769mе). Поэтому характерные размеры мюонного атома  . Это примерно в 200 раз меньше размеров обычных атомов с тем же зарядовым числом, и при  они становятся даже меньше размеров ядра. Это позволяет использовать свойства мюонных атомов для исследования распределения электрического заряда по всему пространству ядра [2].

    Mюонные атомы образуются при захвате мюонов за счет кулоновского поля ядра. При этом из электронной оболочки атома выбивается один или несколько электронов (чаще всего внешних). Мюонный атом образуются в возбуждённом состоянии и за время порядка 10-11-10-13 с (много большее по сравнению с временем жизни мюона) переходит в основное состояние, освобождая энергию в виде рентгеновских и γ-квантов, или передавая её оже-электронам. Измеряя энергии радиационных переходов в тяжёлых мюонных атомах, можно получить информацию о распределении зарядов в ядре, а также о его размерах и форме. Из измерений сверхтонкого расщепления уровней мюонных атомов были найдены квадрупольные моменты несферических ядер.

    Иногда возможны безызлучательные переходы с передачей энергии на возбуждение ядра, а ядро в свою очередь передает эту энергию электрону оболочки. Это так называемый эффект резонансного возбуждения ядер каскадирующим мюоном. Происходит он, когда энергия некоторых переходов мюона в атоме близка к энергии возбуждения ядра.

Адронные атомы

Адронные атомы – атомо-подобные системы, в которых положительно заряженное ядро за счёт кулоновского притяжения удерживает отрицательный адрон. Наблюдались пионные, каонные , антипротонные  и гиперонные  атомы. Изучение адронных атомов даёт информацию и об адроне и о ядре (масса и магнитный момент адрона, распределение вещества в ядре, поляризуемость адрона и ядра), а также об их взаимодействии (рассеяние и поглощение адрона ядром). В результате измерений энергий рентгеновских квантов испускаемых при переходах адронов между ридберговскими состояниями были найдены значения масс и магнитных моментов отрицательных каонов и антипротонов, которые до сих пор являются наиболее точными [2].

Адронные атомы образуются при замедлении отрицательных адронов в веществе. Адрон захватывается атомом с образованием высоковозбуждённого состояния с главным квантовым числом , где т - масса адрона, те - масса электрона (при таких п радиус атомной орбиты адрона, обратно пропорциональный его массе, сравним с радиусами электронных орбит). Возбуждение атома снимается за счёт каскада оже-переходов и электрических дипольных переходов адрона с одного уровня на другой, сопровождающихся испусканием рентгеновского излучения. При этом преимущественно заселяются круговые орбиты, то есть состояния с , где l – орбитальное квантовое число. Когда адрон достигает состояний с небольшим значением главного квантового числа n, становятся существенными эффекты сильного взаимодействия, что приводит к захвату адрона ядром. Атомные уровни, между которыми происходит переход адрона, сопровождаемый рентгеновским излучением, имеют в основном такую же природу, что и уровни в обычных электронных атомах.

Антиводород

http://www.3dnews.ru/assets/external/illustrations/2010/11/18/602115/3.jpghttp://www.vokrugsveta.ru/img/ann/news/main/2010/11/18/10611.gif

Антиводороде+ представляет собой простейший атом антивещества. Первые 11 этих атомов с энергий  были получены на накопительном кольце антипротонов (LEARLowEnergyAntiprotonRing) в ЦЕРНе. Цель эксперимента состояла именно в получении, доказательстве существования антиводорода в природе. В эксперименте раз в минуту пучок из протонного синхротрона интенсивностью   с импульсом  попадал на мишень, в результате чего происходило образование антипротонов. Далее импульсная магнитная линза формирует из рождающихся антипротонов вторичный сгусток  антипротонов с импульсом . Затем пучок антипротонов попадал в замедлитель антипротонов AD (AntiprotonDecelerator), который представляет собой накопительное кольцо. В замедлителе антипротонов пучок замедлялся в три этапа методом электронного охлаждения . Таким образом «горячий» газ антипротонов обменивался энергией с «холодным» электронным газом и, в результате кулоновских столкновений охлаждался. Конечный пучок антипротонов, выводимый из AD, поставляет в экспериментальную зону    в минуту имеет разброс по импульсам  и энергию , которые соударялись со струей ксенона, служившей внутренней мишенью. При столкновении антипротона с ядром ксенона происходило образование электрон-позитронной пары, причем позитрон рождался в одном из связанных состояний в поле антипротона, главным образом в 1S-состоянии. Сечение этого процесса чрезвычайно  мало . Тем не менее, отличительные черты свойственные антиводороду (способность проникать сквозь магнитные поля, следующая из электрической нейтральности, аннигиляция позитрона и антипротона в веществе детектора) позволили снизить количество событий, которые могут относиться к фону до двух из одиннадцати (с достоверностью 95%). Позже 30 атомов антиводорода были получены в аналогичном эксперименте в Лаборатории им. Э. Ферми [3].

На данный момент основной целью опытов является проверка CPT-инвариантности на основе сравнения спектров атомов водорода и антиводорода. Согласно CPT-теореме в предположениях о справедливости лоренц-инвариантности и локальности взаимодействий свойства вещества и антивещества должны совпадать. В частности, спектры водорода и антиводорода должны совпадать. Нарушение CPT-теоремы означало бы нарушение лоренц-инвариантности и свидетельствовало бы об изменении свойств пространства-времени на малых масштабах. Обнаружение этого нарушения позволило бы, в частности, разобраться с проблемой отсутствия антивещества во Вселенной. В 2002 году в  эксперименте ATHENA были получены миллионы медленных атомов антиводорода. В 2010 году физикам впервые удалось кратковременно поймать в «ловушку» атомы антивещества. Для этого охлаждался сгусток, содержащий около 30 тысяч антипротонов, до температуры 200 К и облако из 2 миллионов позитронов до температуры 40 К. Физики охлаждали антивещество в ловушке Пеннинга, встроенной внутрь ловушки Иоффе-Питчарда. В общей сложности было поймано 38 атомов, которые удерживались 172 миллисекунды. В июле 2011 сотрудники CERN объявили, что им удалось держать несколько сотен из них в течение 15 минут. Это прокладывает путь к сравнению точности энергетических уровней между водородом и антиводородом, используя достаточно точные лазерные измерения, а также измерять массу, магнитный момент и другие характеристики атома для проверки CPT-симметрии. Дальнейшие эксперименты по удержанию антивещества призваны показать наличие или отсутствие для антивещества эффекта антигравитации.

В современной физике есть два полярных предложе­ния по получению антиводорода. Одно из которых — поштучное получение атомов антиводорода в ловуш­ках по удержанию антипротонов и позитронов при низких энергиях с последующим накоплением этих атомов в магнитных ловушках с минимумом магнитного поля и охлаждением до температур порядка нескольких кельвинов при помощи метода возбуждения флуоресценции с использованием лазерного излучения на боковой частоте. Суть этого метода состоит в том, что атом может поглотить фотон строго определенной частоты, энергия которого равна разнице между двумя энергетическими уровнями. После поглощения фотона, электрон возбуждается, попадает на вышележащий уровень, а спустя какое-то время возвращается назад, испустив фотон. Если слегка уменьшить частоту фотона по сравнению с резонансной, ровно настолько, чтобы дополнительную энергию придали сами колебания иона, то при последующем снятии возбуждения эта дополнительная энергия улетит вместе с излучаемым фотоном — атом охладится. Так можно охладить его до минимально возможной частоты колебаний, которая задана параметрами ловушки. Свой вклад в понижение температуры вносит и охлаждение боковой полосы. Весь процесс занимает считанные доли секунды. Большинство экспериментов с антиводородом ориен­тировано сегодня именно на этот метод.

Второе же основано на применении накопителей антипро­тонов и позитронов. Предложенный недавно вариант этой схемы  позволяет надеяться на генерацию интенсивных (), остронаправленных потоков антиводорода в диапазоне скоростей 0,03 - 0,3 скорости света со­ответственно (энергия антипротонов 0,5 - 50 МэВ). Одновременно такое устройство является генератором остронаправленных потоков ортопозитрония, представляющего самостоятельный интерес как объект исследования.

Этот  метод генерации антиводорода представляется более ясным с точки зрения возможностей ускорительной техники. Однако долгое время он встречал неприятие большинства экспериментаторов в связи с трудностями постановки экспериментов с атомами при околорелятивистских ско­ростях. Вместе с тем в атомной физике существуют методы спектроскопии быстрых атомов, и их сочетание с техникой генерации холодных атомов антиводорода выглядит многообещающе. Возможны эксперименты на потоках антиводорода и ортопозитрония.

Для запуска интерактивного моделирования ловушки Пеннинга, перейдите по данной ссылке.

Полезные ссылки

·         Антивещество - ссылка на Википедию http://ru.wikipedia.org/wiki/Антивещество

·         Ученым впервые удалось удержать антиводород в ловушке http://www.3dnews.ru/602115/

·         Антиводород: получение, накопление и сохранение http://www.pereplet.ru/nauka/Soros/pdf/9911_035.pdf

·         Лазерная спектроскопия экзотических атомов http://window.edu.ru/resource/156/21156/files/0101_077.pdf

·         Античастицы http://elementy.ru/trefil/5

·         Этюд об античастицах http://elementy.ru/lib/430958

·         Есть молекулярный позитроний! http://elementy.ru/news/430592

·         Нобелевская премия по физике — 2012 http://elementy.ru/news/431910

·         Магнитная ловушка http://ru.wikipedia.org/wiki/Магнитная_ловушка

·         Ловушка Пеннинга http://ru.wikipedia.org/wiki/Ловушка_Пеннинга