АДРОННЫЕ АТОМЫ
- атомоподобные системы, в к-рых положительно заряж. ядро за счёт кулонов-ского притяжения удерживает отрицат.адрон.Наблюдались пионные , каонные , антипротонные и гиперонные атомы. Изучение А. а. даёт информацию и об адроне и о ядре (масса и магн. момент адрона, распределение вещества в ядре, поляризуемость адрона и ядра), а также об их взаимодействии (рассеяние и поглощение адрона ядром).
А. а. образуется при замедлении отрицат. адрона в веществе. Адрон захватывается атомом с образованием высоковозбуждённого состояния с главным квантовым числом , гдет- масса адрона,те- масса электрона (при такихпрадиус атомной орбиты адрона, обратно пропорциональный его массе, сравним с радиусами электронных орбит). Возбуждение атома снимается за счёт каскада оже-пере-ходов и электрич. дипольных переходов адрона с одного уровня на другой, сопровождающихся испусканием рентг. излучения (см.Мулътиполъное излучение, оже-спектроскопия).При этом преимущественно заселяются круговые орбиты, т.е. состояния сl=п-1, гдеl -момент кол-ва движения. Когда адрон достигает состояний с небольшимип,становятся существ. эффектысильного взаимодействия,что приводит к захвату адрона ядром.
Атомные уровни, между к-рыми происходит переход адрона, сопровождаемый рентг. излучением, имеют в осн. такую же природу, что и уровни в обычных электронных атомах. Их положение приближённо описывается решениемКлейна - Гордона уравнениядля пионных атомов илиДирака уравнениядля, и атомов в случае точечного ядра с зарядомZ.Т. к. масса адрона много больше массы электрона, то в состояниях сп<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 большихп).Небольшие поправки возникают из-за учёта конечности размеров ядра иполяризации вакуума.Кроме того, для низких орбит существенны эффекты, связанные с сильным адрон-ядерным взаимодействием. Радиус орбиты адрона, как правило, много больше размера ядра, напр. для радиусы 1s-состояний пионного и антипротонного атомов составляют 67фм и 10фм (для обычного атома 1,8*104фм). Тем не менее с нек-рой долей вероятности адрон находится внутри ядра, что приводит к сдвигу и уширению уровня энергии за счёт сильного взаимодействия. Сдвиг уровня связан с длиной адрон-ядерного рассеянияа(т. е. самплитудой рассеянияпри нулевой энергии системы, см.Рассеяние микрочастиц)соотношением, к-рое для s-состояний имеет вид
Здесь - приведённая масса адрона и ядра, а (0) - значение кулоновской волновой ф-ции адрона в центре ядра. Уширение уровня позволяет определить вероятность захвата адрона ядром.
При эксперим. исследовании А. а. измеряется энергия рентг. излучения (с помощью полупроводниковых детекторов либо кристалл-дифракц. спектрометров). Достигнутая точность в определении положения линии составляет 2 эВ. Как правило, ширины Г>100 эВ определяются непосредственно, а Г ~ 0,1-10 эВ - из соотношения интенсивностей разл. линий (рис. 1). Из рис. видно, как линия 2р-1s пионного атома выделяется среди интенсивных линий, принадлежащихмюонным атомам,возникновение к-рых неизбежно вследствие распада -мезонов на лету (слева - калибровочная линия).
Наиб. изучены пионные атомы. Измерения сдвигов и ширин переходов (обусловленных сдвигом и уширением ниж. уровня) 2р-1sв атомах от до ; 3d-2р-переходов от до ; а также переходов 4f-3dи 5g-4f в широком диапазоне элементов позволяют сформулировать особенность -атома: сдвиги ls-уровнеи отрицательны, т. е. отвечают отталкиванию пиона от ядра, сдвиги всех уровней с более высокимиlположительны, т. е. соответствуют притяжению.
Рис.1. Рентгеновский спектр пионного атома при энергиях вблизи линии 2р 1s (приняты обозначения, обычные для атомных спектров).
Такое поведение описывают введением нелокального оптич. потенциала пион-ядерного взаимодействия, содержащего зависимость от скорости [1, 2]. Теоре-тич. соображения приводят к выводу о том, что сдвиги энергии и ширины Г состояний с орбитальным моментомlдолжны возрастать с ат. номером Z пропорционально , что приближённо выполняется (рис. 2).
Рис. 2. Сравнение экспериментальных и теоретических значений сдвигов и ширин Г 2р-уровней пионных атомов (теоретические точки соединены линиями).
Теория, как правило, даёт хорошее описание наблюдающихся сдвигов и ширин 1s-, 2p-, 3d-и 4f-уровней, за исключением легчайших атомов и (в ряде случаев) атомов с максимальнымZ,при к-ром 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, к-рая входит как параметр в ф-лу для энергии уровня, по энергиям переходов 5g-4f и 6h-5g, даёт значение МэВ (см.Пионы).Эксперим. изучение каонных атомов, с одной стороны, затруднено из-за меньшей интенсивность имеющихся пучков медленныхкаонов,а с другой - облегчено тем, что в -атомах сдвиги и уширение уровней гораздо большие, чем в . Это - следствие большой интенсивности каон-нуклонного взаимодействия при низких энергиях по сравнению с дион-нуклонным.
Теоретич. интерпретация эксперим. данных по каонным атомам (от Н до U) затруднена наличием близкого подпороговогорезонанса(1405) в системе и сильным поглощением каона свободным нуклоном [2]. Наличие аномально большого сдвига 2р-уровня в А. а. указывает на возможность существования в этой системе слабосвязанного ядерного р-со-стояния. Точное значение массы каона, полученное из измерений рентг. спектров высоких переходов каонных атомов,.
Пучки-гипероновнельзя создать вследствие очень короткого времени жизни (1,5*10-10с) -гиперона. Однако -гиперонные атомы могут образовываться во вторичных взаимодействиях при торможении в мишени. Эксперим. данные по сдвигам и ширинам уровней -гиперонных атомов (с 1978) пока скудны (ок 10 переходов в ядрах от С до Ва). Из расщепления атомного уровня на подуровни тонкой структуры определён магн. момент -гиперона (-1,48b0,37ядерных магнетонов).
Изучение антипротонных атомов началось в 1970, точность измерений и Г уровней мала, что обусловлено слабой интенсивностью антипротонных пучков. Качеств. скачок в точности результатов ожидается от экспериментов на установке LEAR (ЦЕРН), к-рая даёт пучки антипротонов низкой энергии с интенсивностью 106. Исследования антипротонных атомов, в первую очередь системы , позволят выяснить возможность существования квазиядерных связанных состояний в системе нуклон-антинуклон (см.Барионий[3]). Масса антипротона из измерений рентг. спектров , что согласуется с массой протона. По тонкому расщеплению уровней найден магн. момент антипротона, равный 2,7950,019 ядерного магнетона, что также согласуется с магн. моментом протона (2,793 ядерного магнетона).
Изучение А. а. может дать информацию о поляризуемости адрона, у к-рого в сильном электрич. поле на атомной орбите появляется наведённый дипольный момент, что приводит к дополнит. сдвигу уровня энергии. Верхняя оценка поляризуемости каона 0,02 фм2.
Лит.:1)Бакенштосс Г., Пионные атомы, пер. с англ., "УФН", 1972, т. .107, с. 405; 2) Бетти С. Дж., Экзотические атомы, "ЭЧАЯ", 1982, т. 13, с. 164; 3) Шапиро И. С., Ядра из барионов и антибарионов, "УФН", 1978, т. 125, с. 577: 4) Бархоп Э., Экзотические атомы, пер. с англ., "УФН", 1972, т. 106, с. 528.В.М.Колыбасов.
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия.Главный редактор А. М. Прохоров.1988.