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 lo tanto, está hecho 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 todos los estados ligados materia-antimateria producidos experimentalmente. [1]
Estos átomos exóticos pueden producirse simplemente mezclando antiprotones con gas helio ordinario; el antiprotón desplaza espontáneamente a 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. El antiprotón puede así 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 se desintegra en picosegundos. [2]
Los átomos de helio antiprotónicos se estudian en el experimento ASACUSA del CERN . En estos experimentos, los átomos se producen primero deteniendo un haz de antiprotones en gas helio. A continuación, los átomos se irradian con potentes rayos láser, que hacen que los antiprotones que contienen resuenen y salten de una órbita atómica a otra.
Al igual que en la espectroscopia de otros estados ligados, el ensanchamiento Doppler y otros efectos plantean desafíos a la precisión. Los investigadores utilizan una variedad de técnicas para obtener resultados precisos. Una forma de superar la precisión limitada por el 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 espectroscopia de 2 fotones. [2]
Los láseres de Ti:zafiro contrapropagantes con pulsos de duración de 30−100 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 por un factor de10 5 cuando las frecuencias del láser se suman dentro de 10 GHz de un estado intermedio . Los estados se seleccionaron por pares de tal manera que la emisión de Auger
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El He2+ y la aniquilación rápida produjeron una señal de Čerenkov detectable. 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 los cálculos de electrodinámica cuántica de tres cuerpos hizo posible una determinación de la relación de masas 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]
Midiendo la frecuencia particular de la luz láser necesaria para hacer resonar el átomo, el experimento 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 "regular", dentro del nivel de certeza del experimento. Esto es una confirmación de una simetría fundamental de la naturaleza llamada CPT (abreviatura de inversión de carga, paridad y tiempo). Esta ley dice que todas las leyes físicas permanecerían inalteradas bajo inversión simultánea del eje de carga , 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 sobre espectroscopia láser del helio antiprotónico con mediciones independientes 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 de este tipo 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 por 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 produjo iones fríos con tiempos de vida de hasta 100 ns en 2005.
En 2020, ASACUSA, en colaboración con el Instituto Paul Scherrer (PSI), informó sobre la verificación experimental del helio piónico de larga duración mediante mediciones espectroscópicas, la primera vez en un átomo exótico que contiene un mesón. Su existencia había sido predicha en 1964 por George Condo en la Universidad de Tennessee para explicar algunas anomalías de las pistas de la cámara de burbujas, pero nunca se había obtenido una prueba definitiva de su existencia. En el experimento, los piones cargados negativamente de un ciclotrón en anillo se enfocaron magnéticamente en un tanque lleno de helio superfluido para que expulsaran un electrón del átomo y ocuparan su lugar. Más tarde, para confirmar la producción, se disparó luz láser a varias frecuencias hasta que encontraron una específica a 1631 nm donde el pión resonaría experimentando un salto cuántico desde su órbita a una interna y finalmente al núcleo que se descompondría en un protón, un neutrón y un deuterón. El experimento resultó muy técnico de realizar y tomó 8 años, incluido el diseño y la construcción del experimento. [7] [8] [9]
