Адронные атомы

Адронные атомы - атомоподобные системы, в которых положительно заряженное ядро за счет кулоновского притяжения удерживает отрицательный адрон. Наблюдались пионные (), каонные (), антипротонные () и гиперонные атомы. Изучение адронных атомов дает 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).

Адронный атом образуется при замедлении отрицательного адрона в веществе. Адрон захватывается атомом с образованием высоковозбужденного состояния с главным квантовым числом где m - масса адрона, m_e - масса электрона (при таких n радиус атомной орбиты адрона, обратно пропорциональный его массе, сравним с радиусами электронных орбит). Возбуждение атома снимается за счет каскада оже-переходов и электрических дипольных переходов адрона с одного уровня на другой, сопровождающихся испусканием рентгеновского излучения (см. Мультипольное излучение, оже-спектроскопия). При этом преимущественно заселяются круговые орбиты, т. е. состояния с l=n-1, где l - момент количества движения. Когда адрон достигает состояний с небольшими 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. Их положение приближенно описывается решением Клейна-Гордона уравнения для пионных атомов или Дирака уравнения для -, - и -атомов в случае точечного ядра с зарядом Z. Т. к. масса адрона много больше массы электрона, то в состояниях с n<5-6 адрон находится внутри самой глубокой электронной оболочки, где экранирование поля ядра несущественно, т. е. имеет место водородоподобная система (поправки на экранирование существенны лишь при больших n). Небольшие поправки возникают из-за учета конечности размеров ядра и поляризации вакуума. Кроме того, для низких орбит существенны эффекты, связанные с сильным адрон-ядерным взаимодействием. Радиус орбиты адрона, как правило, много больше размера ядра, например, для ⁷Li радиусы 1s-состояний пионного и антипротонного атомов составляют 67 фм и 10 фм (для обычного атома фм). Тем не менее с некоторой долей вероятности адрон находится внутри ядра, что приводит к сдвигу и уширению уровня энергии за счет сильного взаимодействия. Сдвиг уровня связан с длиной адрон-ядерного рассеяния a (т. е. с амплитудой рассеяния при нулевой энергии системы, см. Рассеяние микрочастиц) соотношением, которое для s-состояний имеет вид

.

(1)

Здесь - приведенная масса адрона и ядра, a - значение кулоновской волновой функции адрона в центре ядра. Уширение уровня позволяет определить вероятность захвата адрона ядром.

При экспериментальном исследовании адронных атомов измеряется энергия рентгеновского излучения (с помощью полупроводниковых детекторов либо кристалл-дифракционных спектрометров). Достигнутая точность в определении положения линии составляет 2 эВ. Как правило, ширины Г>100 эВ определяются непосредственно, а Г0,1-10 эВ - из соотношения интенсивностей различных линий (рис. 1). Из рис. видно, как линия 2р-1s пионного атома выделяется среди интенсивных линий, принадлежащих мюонным атомам, возникновение которых неизбежно вследствие распада -мезонов на лету (слева - калибровочная линия).

Наиболее изучены пионные атомы. Измерения сдвигов и ширин переходов (обусловленных сдвигом и уширением нижнего уроння) 2p-1s в атомах от ³Не до ²⁴Mg; 3d-2p-переходов от ²⁴Mg до ⁸⁴Кг; а также переходов 4f-3d и 5g-4f в широком диапазоне элементов позволяют сформулировать особенность -атома: сдвиги ls-уровней отрицательны, т. е. отвечают отталкиванию пиона от ядра, сдвиги всех уровней с более высокими l положительны, т. е. соответствуют притяжению. Такое поведение описывают введением нелокального оптического потенциала пион-ядерного взаимодействия, содержащего зависимость от скорости . Теоретические соображения приводят к выводу о том, что сдвиги энергии и ширины Г состояний с орбитальным моментом l должны возрастать с атомным номером Z пропорционально Z^{4(2l + 3)/2}, что приближенно выполняется {рис. 2). Теория, как правило, дает хорошее описание наблюдающихся сдвигов и ширин 1s-, 2p-, 3d- и 4f-уровней, за исключением легчайших атомов и (в ряде случаев) атомов с максимальным Z, при котором наблюдается соответствующая линия (т. е. в атоме с Z, на 1 большим, пион просто не доходит до соответствующего состояния, т. к. захватывается ядром с более высокой орбиты). Прецизионное определение массы пиона, которая входит как параметр в формулу для энергии уровня, по энергиям переходов 5g-4f и 6h-5g, дает значение = 139,5680,002 МэВ (см. Пионы). Экспериментальное изучение каонных атомов, с одной стороны, затруднено из-за меньшей интенсивности имеющихся пучков медленных каонов, а с другой - облегчено тем, что в К^--атомах сдвиги и уширение уровней гораздо большие, чем в . Это - следствие большой интенсивности каон-нуклонного взаимодействия при низких энергиях по сравнению с пион-нуклонным. Теоретическая интерпретация экспериментальных данных по каонным атомам (от Н до U) затруднена наличием близкого подпорогового резонанса (1405) в системе К^-р и сильным поглощением каона свободным нуклоном [2]. Наличие аномально большого сдвига 2р-уровня в адронных атомах К^{- 4}Не указывает на возможность существования в этой системе слабосвязанного ядерного -состояния. Точное значение массы каона, полученное из измерений рентгеновских спектров высоких переходов каонных атомов, m_K=493,6640,018 МэВ.

Пучки -гиперонов нельзя создать вследствие очень короткого времени жизни (1,510¹⁰ с) -гиперона. Однако -гиперонные атомы могут образовываться во вторичных взаимодействиях при торможении К^- в мишени. Экспериментальные данные по сдвигам и ширинам уровней -гиперонных атомов (с 1978) пока скудны (около 10 переходов в ядрах от С до Ва). Из расщепления атомного уровня на подуровни тонкой структуры определен магнитный момент -гиперона (-1,480,37 ядерных магнетонов).

Изучение антипротонных атомов началось в 1970, точность измерений и Г уровней мала, что обусловлено слабой интенсивностью антипротонных пучков. Качественный скачок в точности результатов ожидается от экспериментов на установке LEAR (ЦЕРН), которая дает пучки антипротонов низкой энергии с интенсивностью 10⁶ р/с. Исследования антипротонных атомов, в первую очередь системы , позволят выяснить возможность существования квазиядерных связанных состояний в системе нуклон-антинуклон (см. Барионий). Масса антипротона из измерений рентгеновских спектров МэВ, что согласуется с массой протона. По тонкому расщеплению уровней найден магнитный момент антипротона, равный 2,7950,019 ядерного магнетона, что также согласуется с магнитным моментом протона (2,793 ядерного магнетона). Изучение адронных атомов может дать информацию о поляризуемости адрона, у которого в сильном электрическом поле на атомной орбите появляется наведенный дипольный момент, что приводит к дополнительному сдвигу уровня энергии. Верхняя оценка поляризуемости каона 0,02 фм².