El helio antiprotónico es un átomo de tres cuerpos compuesto por un antiprotón y un electrón que orbita alrededor de un núcleo de helio . Por tanto, está compuesto en parte de materia y en parte de antimateria. El átomo es eléctricamente neutro, ya que un electrón y un antiprotón tienen cada uno una carga de −1 e , mientras que un núcleo de helio tiene una carga de +2 e . Tiene la vida útil más larga de cualquier estado ligado materia-antimateria producido experimentalmente. [1]
Estos átomos exóticos pueden producirse simplemente mezclando antiprotones con gas helio ordinario; el antiprotón desplaza espontáneamente uno de los dos electrones contenidos en un átomo de helio normal en una reacción química y luego comienza a orbitar el núcleo de helio en el lugar del electrón. Esto sucederá en el caso de aproximadamente el 3% de los antiprotones introducidos en el gas helio. La órbita del antiprotón, que tiene un gran número cuántico principal y un número cuántico de momento angular de alrededor de 38, se encuentra muy lejos de la superficie del núcleo de helio. De este modo, el antiprotón puede orbitar el núcleo durante decenas de microsegundos, antes de caer finalmente a su superficie y aniquilarse . Esto contrasta con otros tipos de átomos exóticos de la forma.
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X+ , que normalmente decae en picosegundos. [2]
Los átomos de helio antiprotónicos están siendo estudiados por el experimento ASACUSA del CERN . En estos experimentos, los átomos se producen primero deteniendo un haz de antiprotones en gas helio. Luego, los átomos son irradiados por potentes rayos láser, que hacen que los antiprotones que contienen resuenan y saltan de una órbita atómica a otra.
Como en la espectroscopia de otros estados ligados, el ensanchamiento Doppler y otros efectos presentan desafíos para la precisión. Los investigadores utilizan una variedad de técnicas para obtener resultados precisos. Una forma de superar la precisión limitada del Doppler es la espectroscopia de dos fotones. [2] La Colaboración ASACUSA ha estudiado
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3 Él + y
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4 átomos de He + con el
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ocupando un alto estado de Rydberg con grandes números cuánticos principales y orbitales, 38 utilizando espectroscopía de 2 fotones. [2]
Los láseres de contrapropagación de Ti:zafiro con pulsos de duración de 30 a 100 ns excitaron transiciones no lineales de 2 fotones en el UV profundo, incluidas líneas espectrales de longitudes de onda de 139,8, 193,0 y 197,0 nm. Estas líneas corresponden a transiciones entre estados de la forma . Tales transiciones son improbables. Sin embargo, la probabilidad aumenta en un factor de10 5 cuando las frecuencias del láser suman dentro de 10 GHz de un estado intermedio . Los estados fueron seleccionados por pares de manera que la emisión Auger a
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El2+ y la rápida aniquilación produjeron una señal detectable de Čerenkov. El desplazamiento Doppler reducido dio como resultado líneas espectrales más estrechas con una precisión de entre 2,3 y 5 ppb. La comparación de los resultados con cálculos de electrodinámica cuántica de tres cuerpos hizo posible la determinación de la relación de masa de antiprotón a electrón de1 836 .152 6736 (23) .
En 2022, ASACUSA encontró un estrechamiento inesperado de las líneas espectrales del helio antiprotónico. [3] [4] [5]
Al medir la frecuencia particular de la luz láser necesaria para hacer resonar el átomo, el experimento de ASACUSA determinó la masa del antiprotón, que midieron en1 836 .153 6734 (15) veces más masivo que un electrón . [6] Esto es lo mismo que la masa de un protón "normal", dentro del nivel de certeza del experimento. Esta es una confirmación de una simetría fundamental de la naturaleza llamada CPT (abreviatura de carga, paridad y reversión de tiempo). Esta ley dice que todas las leyes físicas permanecerían sin cambios bajo la inversión simultánea del eje de carga , la paridad de los ejes espaciales y la orientación del eje del tiempo . Una predicción importante de esta teoría es que las partículas y sus antipartículas deberían tener exactamente la misma masa.
Al comparar los resultados anteriores de la espectroscopia láser de helio antiprotónico con mediciones separadas de alta precisión de la frecuencia del ciclotrón del antiprotón realizadas por las colaboraciones ATRAP y BASE en el CERN, la masa y la carga eléctrica del antiprotón se pueden comparar con precisión con los valores del protón. Las mediciones más recientes muestran que la masa del antiprotón (y el valor absoluto de la carga) es la misma que la del protón con una precisión de 0,5 partes en mil millones.
Un ion de helio antiprotónico es un objeto de dos cuerpos compuesto por un núcleo de helio y un antiprotón en órbita. Tiene una carga eléctrica de +1 e . El experimento ASACUSA en 2005 produjo iones fríos con vidas útiles de hasta 100 ns.
En 2020 ASACUSA en colaboración con el Paul Scherrer Institut (PSI) informó la verificación experimental del helio piónico de larga vida mediante mediciones espectroscópicas; la primera vez en un átomo que contiene un leptón. Su existencia había sido predicha en 1964 por George Condo de la Universidad de Tennessee para explicar algunas anomalías de las huellas de la cámara de burbujas, pero nunca se había obtenido ninguna prueba definitiva de su existencia. En el experimento, se concentraron magnéticamente piones cargados negativamente de un ciclotrón anular en un tanque lleno de helio superfluido para que expulsaran un electrón del átomo y ocuparan su lugar. Posteriormente, para confirmar la producción, se disparó luz láser a varias frecuencias hasta encontrar una concreta en 1631 nm donde el pión resonaría sufriendo un salto cuántico desde su órbita a una interior y finalmente al núcleo que se descompondría en un un protón, un neutrón y un deuterón. El experimento resultó muy técnico y tomó 8 años, incluido el diseño y la construcción del experimento. [7] [8] [9]
