В спектроскопии имеется проблема расширения спектров атомов из-за их взаимных столкновений, непрерывно изменяющих их энергетические уровни.
Специалисты по спектроскопии из Германии, Италии и Швейцарии в Институте квантовой оптики общества Макса Планка, под руководством Масаки Хори (Masaki Hori) пытались бороться с этим расширением. В 2013 году в лаборатории ЦЕРН они запускали в жидкий гелий антипротоны. Проект был разработан, чтобы проверить, возможна ли вообще спектроскопия в гелиевой ванне. В группе была Анна Сотер (Anna Soter), и ей было интересно, как эта смесь будет реагировать на разные температуры гелия. Она убедила коллег потратить драгоценное антивещество на измерения при разных температурах.
“Это была случайная идея с моей стороны”, – говорит Сотер, ныне профессор Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе. “Люди не были уверены, что стоит тратить на это антипротоны”.
Экспериментаторы обнаружили, что ширины спектральных линий антипротонов в гелии, при снижении температуры начинают сужаться, достигая субгигагерцовых значений.
Здесь надо отметить, что теоретики измыслили, что антипротоны, запускаемые в жидкий гелий, якобы заменяют электрон на внешней орбитали гелия, и получается некий атом “антипротонного гелия”, а работают они со спектрами именно этого экзотического атома. В обычных условиях антипротон испытывает каскадный спуск на нижележащие орбитали, при этом выделяются фотоны, а завершается это взаимодействием с ядром, где антипротон аннигилирует с образованием заряженных пионов. По представлениям этих теоретиков в жидком гелии антипротон на внешней орбитали “антипротонного гелия” защищен от его ядра электронной оболочкой и есть основание ожидать, что ширины соответствующих линий будут узкими.
Для проверки этой гипотезы авторы стимулировали переходы антипротонного гелия из состояний (n, l) = (37, 35) и (39, 35) в состояние (38, 34) двумя лазерами с длинами волн 726 и 597 нанометров, соответственно. В конце концов, активированный лазерами антинейтрон достигал ядер гелия и аннигилировал, что фиксировали акриловые черенковские детекторы.
Ученые слегка отстраивали частоты лазеров в окрестности резонанса и следили за числом отсчетов детекторов для газообразного и жидкого гелия. В первом случае поведение спектральных линий демонстрировало привычную зависимость от давления: с его ростом ширина увеличивалась, размывая сверхтонкий квадруплет, вызванный спин-спиновым взаимодействием между электроном и антипротоном.
В жидком гелии, который обладает фазовым переходом в сверхтекучее состояние (гелий-II) при 2,17 кельвин, всё получалось не так. Если зависимость ширин от температуры в гелии-I имела экспоненциальный характер, то в гелии-II она обладала минимумом в диапазоне 1,7-1,9 кельвин. Ширина резонанса на 729 нанометрах при этом составила примерно 0,9 гигагерц, а на 597 нанометрах – примерно 1,1 гигагерц, что на порядок меньше, чем того предсказывают расчеты на основе ударного уширения в бинарных столкновениях. Это же наблюдалось и для сдвигов линий. См. Рис. 1.
Результаты этих экспериментов опубликованы в Nature.
Конечно, антипротон не может занять всю огромную для него орбиталь электрона, и не может двигаться по ней как планета. (Что, видимо и представляли себе теоретики.) Антипротон остаётся между атомами гелия. Он сам получает фотоны от лазера и отдает их. Именно поэтому в сверхтекучем гелии (гелий-II) при 2,17 кельвин, он излучает в диапазоне 1,7-1,9 кельвин при любом значении температуры.