Ионная модель метастабильности антипротонного гелия
Есеев Марат Каналбекович
Поморский государственный университет

Научный руководитель: Меньшиков Леонид Иеронимович, доктор ф.м. наук

В экспериментах было обнаружено, что часть антипротонов [1] остановившихся в жидком гелии, обладает аномально большим временем жизни. Был получен временной спектр аннигиляции, показывающий зависимость числа аннигиляций антипротонов в единицу времени (200 нс) от времени (см. рис. 1). Из анализа этих данных видно, что 97% антипротонов аннигилируют через 10-12 с после влета в гелий, а 3% живут в среднем 3·10-6 с.

рис. 1

Объяснение этому факту было предложено [2] на основе известной модели Кондо. При торможении антипротона в гелии образуется нейтральная "атомкула" в реакции:

.

Здесь (n, l) – главное и орбитальное квантовые числа состояния антипротона (их начальные значения ).

Часть антипротонов (~3%) оказывается на почти круговых орбитах n-l ‹‹ n в метастабильных состояниях, что соответствует экспериментальным данным. Для таких орбит скорости радиационных и Оже-переходов малы (?A ‹‹ ?? ~ 10-6 с-1). Штарковские переходы, вследствие снятия кулоновского вырождения по l и паулиевского отталкивания, подавлены. Это соответствует доле долгоживущих антипротонов в гелии. Но модель Кондо не объясняет, например, почему метастабильность антипротонов отсутствует в других веществах. Кроме того, в рамках этой модели невозможно объяснить большинство экспериментов, выполненных в последние годы. В частности, попытка объяснить ряд экспериментов по тушению метастабильности примесями молекул O2, H2, N2 и благородных газов Ne, Ar, Kr, Xe приводит к величинам сечения тушения на несколько порядков отличающихся от экспериментальных.

Поэтому предлагается ионная модель метастабильности антипротонов в гелии [3]. В этом случае после торможения антипротона в тройных соударениях в гелии образуется ион, который по аналогии с "атомкулой" можно назвать "ионкулой":

.

Здесь ? ~ -T – начальная энергия связи антипротона в образовавшемся отрицательном ионе (). Далее в результате постепенного девозбуждения

 (1)

энергия связи за время ~10-9ч10-10 c увеличивается до значений ~10 эВ, а расстояние между и ? уменьшается до ~0,5ч1 а.е. При этом антипротон "прячется"' внутри электронной оболочки. В действие вступает паулиевское отталкивание электронов от соседних атомов гелия и неупругие процессы (1) практически прекращаются, для круговых состояний наступает метастабильность. Расчеты величин сечения образования ионкулы, тушения метастабильности и др. дают результаты практически совпадающие с экспериментальными.

Ионную модель в качестве одной из задач намечено проверить в экспериментах [4] (проект ASACUSA).

По итогам работы можно сделать следующие выводы.

  1. Известная модель Кондо сравнивается с ионной моделью. В последнем случае после торможения антипротона в гелии образуется ион () – "ионкула" ("ioncule"). Один из электронов "ионкулы" является слабосвязанным и, находясь на одном из ефимовских уровней, движется по орбите радиуса ~20 a.e. в поле нейтральной "атомкулы" (), удерживаемый заряд-дипольным взаимодействием. Время жизни ``ионкулы'' велико (не менее 10-5 c).

  2. В рамках этой модели объясняется, почему метастабильность существует только в гелии.

  3. Рассчитанные в рамках ионной модели сечения тушения метастабильных состояний атомами или молекулами примесей, содержащихся в гелии, близки к экспериментальным данным, тогда как модель Кондо, основанная на "атомкуле", дает на 3ч4 порядка величины меньшие сечения.

  4. Частоты ? колебательно-вращательных переходов антипротона практически не отличаются от таковых для "атомкулы" ??/?~10-5ч10-6, что согласуется с лазерно-спектроскопическими экспериментами.

Список литературы:

  1. Iwasaki M., Nakamura S.N., Shigaki K. et al, Phys. Rev. Lett., 67, 1246 (1991).
  2. Yamazaki T., Widmann E., Hayano R.S. et al., Nature, 361, 238 (1993).
  3. Меньшиков Л.И., Есеев М.К., УФН, 171, 149 (2001).
  4. Azuma T., Bakas J.S, Blumhe H. et al., CERN/SPSC 97-19; CERN/SPSC P-307; http://www.cern.ch/asacusa/
(c) АСФ России, 2001