Адронные атомы - атомоподобные системы, в к-рых положительно заряж. ядро
за счёт кулоновского 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).
Адронные атомы образуется при замедлении отрицат. адрона в веществе.
Адрон захватывается атомом с образованием высоковозбуждённого состояния с
главным квантовым
числом 
, где т - масса адрона, те - 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
(1)
Здесь 
- приведённая масса адрона и ядра, а 
(0)
- значение кулоновской волновой функции 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-1s в атомах от 
до 
;
3d-2р-переходов от 
до 
; а также переходов
4f-3d и 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 2,795
0,019
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.
М. Колыбасов
|
|
 |
