الهيليوم المضاد للبروتونات

الهيليوم المضاد للبروتونات ذرة ثلاثية الأجسام تتكون من بروتون مضاد وإلكترون يدوران حول نواة الهيليوم . لذا فهي تتكون جزئيًا من المادة وجزئيًا من المادة المضادة. الذرة متعادلة كهربائيًا، لأن الإلكترون والبروتون المضاد يحملان شحنة مقدارها -1e ، بينما تحمل نواة الهيليوم شحنة مقدارها + 2e . وهي تتمتع بأطول عمر بين جميع حالات الارتباط بين المادة والمادة المضادة التي تم إنتاجها تجريبيًا. ^{[ 1 ]}  

يمكن إنتاج هذه الذرات الغريبة بمزج مضادات البروتونات مع غاز الهيليوم العادي؛ حيث يحل مضاد البروتون تلقائيًا محل أحد الإلكترونين الموجودين في ذرة الهيليوم العادية في تفاعل كيميائي، ثم يبدأ بالدوران حول نواة الهيليوم مكان الإلكترون. يحدث هذا في حالة ما يقارب 3% من مضادات البروتونات المُضافة إلى غاز الهيليوم. يقع مدار مضاد البروتون، الذي يتميز برقم كم رئيسي كبير ورقم كم للزخم الزاوي يبلغ حوالي 38، بعيدًا عن سطح نواة الهيليوم. وبالتالي، يمكن لمضاد البروتون أن يدور حول النواة لعشرات الميكروثواني، قبل أن يسقط أخيرًا على سطحها ويتلاشى . وهذا يختلف عن أنواع أخرى من الذرات الغريبة من الصيغة p‍X⁺ ^، التي تتحلل عادةً في غضون بيكوثواني. ^{[ 2 ]}

تُجرى دراسة ذرات الهيليوم المضادة للبروتونات في تجربة ASACUSA في مركز CERN . في هذه التجارب، تُنتَج الذرات أولًا عن طريق إيقاف حزمة من البروتونات المضادة في غاز الهيليوم. ثم تُشعَّع الذرات بأشعة ليزر قوية، مما يُحفِّز البروتونات المضادة فيها على الرنين والقفز من مدار ذري إلى آخر.

كما هو الحال في مطيافية الحالات المقيّدة الأخرى، يُشكّل اتساع دوبلر وتأثيرات أخرى تحدياتٍ أمام الدقة. يستخدم الباحثون مجموعة متنوعة من التقنيات للحصول على نتائج دقيقة. إحدى طرق تجاوز الدقة المحدودة بتأثير دوبلر هي مطيافية الفوتونين. ^{[ 2 ]} وقد درس فريق ASACUSA Collaboration ذرات p ^{‍ 3} He ⁺ و p ^{‍ 4} He ⁺ حيث يشغل p حالة ريدبيرغ عالية ذات أعداد كمية رئيسية ومدارية كبيرة.${\displaystyle n\sim l+1\sim }$38 باستخدام مطيافية الفوتونين. ^{[ 2 ]} ليزرات تيتانيوم-ياقوت متقابلة الانتشار بنبضات مدتها 30-100 نانوثانية تحفز انتقالات غير خطية ثنائية الفوتون في منطقة الأشعة فوق البنفسجية العميقة، بما في ذلك الخطوط الطيفية ذات الأطوال الموجية،${\displaystyle \lambda =}$139.8 و193.0 و197.0  نانومتر. تتوافق هذه الخطوط مع الانتقالات بين حالات من الشكل${\displaystyle (n,l)\rightarrow (n-2,l-2)}$إن مثل هذه التحولات غير محتملة. ومع ذلك، فإن الاحتمالية تزداد بمعامل10 ⁵ عندما يكون مجموع ترددات الليزر في حدود 10  جيجاهرتز من حالة وسيطة${\displaystyle (n-1,l-1)}$تم اختيار الحالات بشكل ثنائي بحيث ينتج عن انبعاث أوجيه إلى p ‍ He ²⁺ والإفناء السريع إشارة تشيرينكوف قابلة للكشف. أدى انخفاض إزاحة دوبلر إلى خطوط طيفية أضيق بدقة تتراوح بين 2.3 و 5 جزء في المليار. أتاحت مقارنة النتائج مع حسابات الديناميكا الكهربائية الكمية ثلاثية الأجسام تحديد نسبة كتلة البروتون المضاد إلى كتلة الإلكترون. 1 836 .152 6736 (23) .

في عام 2022، اكتشف مشروع ASACUSA تضييقًا غير متوقع لخطوط طيف الهيليوم المضاد للبروتونات. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

من خلال قياس التردد المحدد لضوء الليزر اللازم لرنين الذرة، حددت تجربة ASACUSA كتلة البروتون المضاد، والتي قاسوها عندكتلة جسيم 1836.1536734 (15) ضعف كتلة الإلكترون . ^{[ 6 ]} وهي نفس كتلة البروتون "العادي"، ضمن هامش الخطأ التجريبي. وهذا يؤكد تناظرًا أساسيًا في الطبيعة يُسمى CPT (اختصارًا للشحنة، والتكافؤ، وانعكاس الزمن). ينص هذا القانون على أن جميع القوانين الفيزيائية ستبقى ثابتة عند انعكاس محور الشحنة ، وتكافؤ محاور الفضاء ، واتجاه محور الزمن في آنٍ واحد . ومن أهم تنبؤات هذه النظرية أن الجسيمات ونظائرها يجب أن تمتلك نفس الكتلة تمامًا.

بمقارنة النتائج المذكورة أعلاه حول مطيافية الليزر للهيليوم المضاد للبروتون مع قياسات منفصلة عالية الدقة لتردد السيكلوترون للبروتون المضاد، والتي أجراها فريقا ATRAP و BASE في CERN، يمكن مقارنة كتلة وشحنة البروتون المضاد بدقة مع قيم البروتون. وتُظهر أحدث هذه القياسات أن كتلة البروتون المضاد (والقيمة المطلقة لشحنته) تُطابق كتلة البروتون بدقة تصل إلى 0.5 جزء من المليار.

أيون الهيليوم المضاد للبروتون هو جسيم ثنائي يتكون من نواة هيليوم وبروتون مضاد يدور حولها. يحمل شحنة كهربائية مقدارها +1 e . وقد تم إنتاج أيونات باردة ذات أعمار تصل إلى 100 نانوثانية بواسطة تجربة ASACUSA في عام 2005.  

في عام 2020، أعلنت ASACUSA بالتعاون مع معهد بول شيرر (PSI) عن التحقق التجريبي من وجود الهيليوم البيوني طويل العمر من خلال القياسات الطيفية، وهي المرة الأولى التي يتم فيها ذلك على ذرة غريبة تحتوي على ميزون. كان جورج كوندو من جامعة تينيسي قد تنبأ بوجوده عام 1964 لتفسير بعض الشذوذات في مسارات غرفة الفقاعات ، لكن لم يتم الحصول على دليل قاطع على وجوده. في التجربة، تم تركيز البيونات سالبة الشحنة من سيكلوترون حلقي مغناطيسيًا في خزان مملوء بالهيليوم فائق الميوعة، بحيث تطرد إلكترونًا من الذرة وتحل محله. لاحقًا، ولتأكيد الإنتاج، تم تسليط ضوء ليزر بترددات مختلفة حتى تم العثور على تردد محدد عند 1631  نانومتر، حيث يرن البيون ويخضع لقفزة كمومية من مداره إلى مدار داخلي، ثم إلى النواة التي تتحلل في النهاية إلى بروتون ونيوترون وديوترون. أثبتت التجربة أنها معقدة للغاية من الناحية التقنية، واستغرقت ثماني سنوات، بما في ذلك تصميمها وبنائها. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

• البوزيترونيوم
• البروتونيوم

• تحسين ASACUSA لقياس كتلة البروتون المضاد