Гибрид материи и антиматерии в жидком гелии показал аномальное сужение спектральных линий

Группа европейских физиков обнаружила неожиданное сужение ширины спектральных линий антипротонного гелия, то есть экзотического атома, состоящего из электрона, антипротона и ядра гелия, погруженного в сверхтекучий гелий. Эффект потребует учета коллективных эффектов на ширины линий, а также открывает дорогу к спектроскопическому исследованию других экзотических атомов. Исследование опубликовано в Nature.

Одной из главных нерешенных проблем физики по сей день остается асимметрия материи и антиматерии во Вселенной. Ее можно было бы объяснить различием их физических свойств. Физики активно ищут эти различия во множестве разнообразных экспериментов, с каждым десятилетием увеличивая точность и накладывая на них все более строгие ограничения (подробнее про антиматерию читайте в материале «С точностью до наоборот»).

Важным инструментом на этом пути стала прецизионная атомная спектроскопия. Ее преимуществами оказались высокий технический уровень эксперимента и проработанность теории, которая позволяет делать очень точные предсказания. Мы уже рассказывали, как таким образом физики проверяли отличие антиводорода от обычного водорода. В антиводороде и протон, и электрон заменены на свои собственные античастицы: антипротон и позитрон.

Возможно, однако и гибридная ситуация, когда в состав атома входят как частицы, так и античастицы. Примером такого атома стал антипротонный гелий — экзотический атом, представляющий собой нейтральный атом гелия, в котором один из электронов заменен на антипротон. В оптических спектрах таких атомов также ищут нарушения симметрии. Ключевыми параметрами при этом выступают ширины спектральных линий, от которых зависит точность эксперимента. Их уширяет практически все, с чем взаимодействуют атомы, в том числе и столкновения друг с другом. Из-за этого ученые стараются проводить такие эксперименты в максимально разреженной среде.

Тем удивительнее оказался результат эксперимента, придуманного Масаки Хори (Masaki Hori) из Института квантовой оптики общества Макса Планка и проделанного им вместе с коллегами из Германии, Италии и Швейцарии. Физики обнаружили, что ширины спектральных линий антипротонного гелия, погруженного в сверхтекучий жидкий гелий, при некоторых условиях начинают сужаться, достигая субгигагерцовых значений. Это открывает дорогу к спектроскопическому исследованию других типов экзотических атомов, которые нельзя быстро замедлить и охладить традиционными методами, но можно уловить ловушками из жидкого гелия.

Для создания атомов антипротонного гелия авторы направляли пучок античастиц с энергиями несколько мегаэлектронвольт в запечатанные камеры с жидким гелием, где те тормозились и с некоторой вероятностью образовывали экзотические атомы. Антипротон при этом замещает один из гелиевых электронов, попадая на высоколежащую ридберговскую орбиту, то есть орбиту с большими значениями главного n и орбитального l квантовых чисел. Большой радиус такой орбиты защищает атом от аннигиляции антипротона с ядром.

В изолированных условиях антипротон испытывает каскадный спуск на нижележащие орбиты, приводящий к эмиссии оже-электронов и рентгеновских квантов, который завершается взаимодействием с ядром. Однако при наличии других атомов по соседству, более вероятным каналом распада антипротонного гелия становится аннигиляция античастицы с их ядрами. Примечательно, что электрон, находящийся в основном состоянии в экзотическом атоме, способен экранировать его от этого процесса, если его радиус орбиты больше такового у протона, который, в свою очередь, зависит от главного квантового числа (это происходит при n равном 30-40). Тот факт, что оптические переходы между орбитами практически не влияют на размер орбиты электрона и потому оставляют антипротон защищенным, дал физикам основание ожидать, что ширины соответствующих линий останутся узкими даже в жидком гелии.

Для проверки этой гипотезы авторы стимулировали переходы антипротонного гелия из состояний (n, l) = (37, 35) и (39, 35) в состояние (38, 34) двумя лазерами с длинами волн 726 и 597 нанометров, соответственно. Конечное состояние испытывает оже-распад с образованием хрупкого иона, который в опыте быстро разрушался от столкновений с атомами жидкости. Освобожденный антипротон тут же аннигилировал с образованием заряженных пионов, присутствие которых фиксировали акриловые черенковские детекторы.

Ученые слегка отстраивали частоты лазеров в окрестности резонанса и следили за числом отсчетов детекторов для газообразного и жидкого гелия. В первом случае поведение спектральных линий демонстрировало привычную зависимость от давления: с его ростом ширина увеличивалась, размывая сверхтонкий квадруплет, вызванный спин-спиновым взаимодействием между электроном и антипротоном.

В жидком гелии, который обладает фазовым переходом в сверхтекучее состояние (гелий-II) при 2,17 кельвин, физики нашли аномалию. Если зависимость ширин от температуры в гелии-I имела экспоненциальный характер, то в гелии-II она обладала минимумом в диапазоне 1,7-1,9 кельвин. Ширина резонанса на 729 нанометрах при этом составила примерно 0,9 гигагерц, а на 597 нанометрах — примерно 1,1 гигагерц, что на порядок меньше, чем того предсказывают расчеты на основе ударного уширения в бинарных столкновениях. Похожая аномалия наблюдалась и для сдвигов линий.

Авторы сделали вывод, что на ширины линий в сверхтекучем гелии оказывают влияние коллективные эффекты, которые не наблюдаются в обычных атомах из-за изменения их электронных оболочек при оптических переходах. Это означает, что похожий эффект можно будет обнаружить в других экзотических атомах, например, пионном, каонном или антидейтронном гелии, а значит точнее их исследовать с помощью спектроскопии.

В атоме антипротонного гелия античастица играет такую же роль, какую в обычных атомах играют электроны. Подобная ситуация уже знакома физике: мы ранее писали про открытие суперионного льда, в котором протоны свободно перемещаются по решетке из ионов кислорода.

Марат Хамадеев