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Nature volume 603, páginas 411–415 (2022)Cite este artigo 13k Acessos 8 citações 279 Detalhes de métricas altmétricas Quando átomos são colocados em líquidos, suas linhas espectrais ópticas correspondentes ao

Nature volume 603, páginas 411–415 (2022)Cite este artigo

13 mil acessos

8 citações

279 Altmétrico

Detalhes das métricas

Quando os átomos são colocados em líquidos, suas linhas espectrais ópticas correspondentes às transições eletrônicas são bastante ampliadas em comparação com as de átomos únicos e isolados. Este aumento na largura de linha pode muitas vezes atingir um fator de mais de um milhão, obscurecendo estruturas espectroscópicas e impedindo a espectroscopia de alta resolução, mesmo quando o hélio superfluido, que é o líquido mais transparente, frio e quimicamente inerte, é usado como material hospedeiro . 3,4,5,6. Aqui mostramos que quando um átomo de hélio exótico com um antipróton constituinte7,8,9 é incorporado em hélio superfluido, sua linha espectral de comprimento de onda visível retém uma largura de linha sub-gigahertz. Uma redução abrupta na largura de linha da ressonância do laser antiprotônico foi observada quando o líquido que circunda o átomo fez a transição para a fase superfluida. Isto resolveu a estrutura hiperfina decorrente da interação spin-spin entre o elétron e o antipróton com uma resolução espectral relativa de duas partes em 106, embora o hélio antiprotônico residisse em uma matriz densa de átomos de matéria normal. A camada eletrônica do átomo antiprotônico retém um pequeno raio de aproximadamente 40 picômetros durante a excitação do laser . Isto implica que outros átomos de hélio contendo antinúcleos, bem como mésons e hiperons com carga negativa que incluem quarks estranhos formados em hélio superfluido, podem ser estudados por espectroscopia a laser com alta resolução espectral, permitindo a determinação das massas das partículas . As linhas espectrais nítidas podem permitir a detecção de antiprótons de raios cósmicos10,11 ou a busca por antideuterons12 que pousam em alvos de hélio líquido.

Espectroscopia a laser de átomos de anti-hidrogênio13,14 e hélio antiprotônico (\(\bar{p}{{}^{4}{\rm{H}}{\rm{e}}}^{+}\equiv {{}^ {4}{\rm{H}}{\rm{e}}}^{2+}+{\bar{p}}^{-}+{e}^{-}\))7,8, 9 foram recentemente realizados para investigar a simetria entre matéria e antimatéria. Esses experimentos são complementares a algumas medições de precisão nas propriedades de antiprótons únicos. A alta precisão desses experimentos só poderia ser alcançada reduzindo ou eliminando as colisões com átomos normais que aniquilavam os antiprótons nos átomos exóticos ou perturbavam seus níveis de energia atômica e ampliavam fortemente as ressonâncias do laser . Isso exigiu a formação do anti-hidrogênio ou \(\bar{p}{{}^{4}{\rm{H}}{\rm{e}}}^{+}\) em armadilhas magnéticas ou alvos de hélio gasoso de extremamente baixa densidade atômica ρ <1018 cm-3, de modo que linhas espectrais nítidas de átomos efetivamente isolados foram resolvidas a partir das quais as frequências de transição atômica foram determinadas com precisão. Descobriu-se que outros átomos exóticos aceleram e aquecem durante a sua formação e durante colisões com outras moléculas, de modo que as suas linhas espectrais de raios X foram alargadas. Neste trabalho, em vez disso, observamos o fenômeno surpreendente em que, em contraste com os resultados anteriores acima sobre átomos exóticos, o \(\bar{p}{{}^{4}{\rm{H}}{\rm{e }}}^{+}\) incorporado em hélio superfluido (He II) mostrou linhas espectrais de comprimento de onda visível que são mais estreitas do que aquelas de muitos outros átomos estáveis ​​implantados feitos de matéria normal relatados até agora. Na temperatura de transição de fase superfluida, onde a densidade atômica do líquido é maior, a ressonância do laser antipróton estreitou-se abruptamente para larguras de linha sub-GHz correspondendo a uma resolução espectral relativa de 2 × 10-6, que é mais do que um fator de 10 mais estreito do que os mesmos espectros \(\bar{p}{{}^{4}{\rm{H}}{\rm{e}}}^{+}\) observados no hélio da fase supercrítica de menor densidade. Isto implica que outras variedades de átomos de hélio contendo antideuterons - ou mésons e hiperons22 com carga negativa que incluem o quark estranho que não pode ser facilmente desacelerado e resfriado usando síncrotrons ou isolado em armadilhas de íons - podem, em vez disso, ser parados em He II e medidos com um alto espectro espectral. resolução por espectroscopia a laser. O fato de as formas das linhas serem tão sensíveis à temperatura e fase do líquido sugere que \(\bar{p}{{}^{4}{\rm{H}}{\rm{e}}}^{+}\ ) pode ser usado para estudar alguns efeitos da matéria condensada no hélio superfluido23,24,25,26,27.

 41 antiproton orbitals that extend outside the electron shell with a root-mean-square radius re ≈ 40 pm are easily destroyed in collisions with other atoms and have never been detected. By comparison, the n = 30–40 antiproton orbitals lie well within the electron shell (Fig. 1a) and should in principle be better protected, but numerous states were found to likewise be destroyed for atoms synthesized in gas targets of moderate density ρ = 1020–1021 cm−3 (ref. 36) so that laser spectroscopy of antiprotonic atoms suspended in liquid targets has not been achieved so far. In this work we nevertheless detected two transitions (n, ℓ) = (37, 35) → (38, 34) and (39, 35) → (38, 34) at the visible wavelengths λ = 726 nm and 597 nm, respectively, that survived in He I and He II targets. The resonance parent states (37, 35) and (39, 35) have microsecond-scale lifetimes, whereas the daughter state (38, 34) has an Auger width ΓA ≈ 21 MHz (ref. 7; Fig. 1b). As the radius of a single isolated \(\bar{p}{{}^{4}{\rm{H}}{\rm{e}}}^{+}\) atom is an order of magnitude smaller (Fig. 1a) than the valance orbitals of the above-mentioned impurity atoms, and the optical transitions of the massive antiproton involve remarkably small changes in the radius Δre ≤ 2 pm (ref. 7) of the electron and the related \(\bar{p}{{}^{4}{\rm{H}}{\rm{e}}}^{+}-{}^{4}{\rm{H}}{\rm{e}}\) pairwise potentials17,18, we may expect lineshapes that are quantitatively different from those of other many impurity atoms./p> 1 MPa at a temperature T ≈ 4–6 K. The antiprotons entered through a tr = 75-μm-thick window made of annealed titanium that was attached to one side of the chamber by vacuum brazing, the laser beam through a 28-mm-diameter, 5-mm-thick UV-grade sapphire window affixed on the opposite side. The chamber was mounted on a liquid helium constant-flow cryostat. The cryostat was shielded from external thermal radiation by two layers of Cu enclosures, which were each cooled by either the vapour of the coolant helium or with liquid nitrogen./p> 120 kPa the T1 reading deviated by less than 30 mK from the expected temperatures T(p) which were calculated using the programme HEPAK53. The programme was based on the parameterized state equations of helium according to the International Temperature Scale of 1990 (ITS-90)54. This value εprec = 30 mK was taken to be the uncertainty of measuring the gaseous or supercritical helium temperature at the position of the sensor. Deviations between the readings of sensors T1 and T2 arose owing to the differences in the thermal conductivities of the stainless steel chamber and the gaseous or supercritical helium. From this we estimated that the upper limit of the thermal gradient in the portion of the helium target where \(\bar{p}{{}^{4}{\rm{H}}{\rm{e}}}^{+}\) were produced varied between εgrad = 15 mK and 400 mK depending on the target pressure. The uncertainty became particularly large (εgrad = 400 mK) at the lowest pressure p ≈ 101 kPa used in this experiment. The total uncertainty εT = 40 – 400 mK of the temperature T of the gaseous and supercritical phase targets was taken to be the quadratic sum of the uncertainties εc , εprec, εfluc, and εgrad. The target pressure and temperature were converted to atomic density ρ with an average uncertainty of 0.1% and a maximum uncertainty of 0.5%54,55 using the HEPAK programme53./p>