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 , где т- масса адрона, т _е - масса электрона (при таких п радиус 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 с l=п-1, где l - момент кол-ва движения. Когда адрон достигает состояний с небольшими п, становятся существ. эффекты сильного 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 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 п<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 п). Небольшие поправки возникают из-за учёта 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, напр. для радиусы 1s-состояний пионного и антипротонного атомов составляют 67фм и 10фм (для обычного атома 1,8*10⁴ фм). 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 рассеяния а (т. е. с амплитудой рассеяния при 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, принадлежащих мюонным 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 высокими l положительны, 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 моментом l должны 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 максимальным Z, 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 медленных каонов, 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 подпорогового резонанса (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 -гиперонов нельзя создать вследствие очень короткого времени жизни (1,5*10^-10 с) -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 (-1,48b0,37 ядерных 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 фм ².

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.