Hyperfeinstruktur von antiprotonischem Helium

Antiprotonisches Helium ist ein exotisches Dreikörpersystem bestehend aus einem Heliumkern, einem Elektron, und einem Antiproton. Das Antiproton sitzt auf hoch angeregten metastabilen Zuständen, in denen der Einfluss der starken Wechselwirkung vernachlässigbar klein ist. Die metastabilen Zustände können mittels Präzisionsspektroskopie untersucht werden und ergeben durch Vergleich der Ergebnisse mit Dreikörper-QED Rechnungen einen Test der CPT Symmetrie. Die Hyperfeinstruktur von antiprotonischem Helium ist einzigartig, da das Antiproton Zustände mit extrem hohem Bahndrehimpulsquantenzahlen L ~ 33...37 bevölkert, was dazu führt, dass die dominante Aufspaltung von der Wechselwirkung des Bahndrehimpulses des Antiprotons mit dem Elektronenspin herrührt (HF Aufspaltung). Der Antiprotonenspin erzeugt eine zweite, wesentlich kleinere Aufspaltung, die Superhyperfeinstruktur (SHF), was zur Ausbildung einer Quadrupletstruktur führt. Durch Messung der Hyperfeinstruktur und Vergleich mit Berechnungen besteht die Möglichkeit, das spin-magnetische Moment des Antiprotons, das bisher nur auf 0,3% bekannt ist, genauer zu bestimmen. Das Stefan-Meyxer-Institut führt gegenwärtig innerhalb der ASACUSA Kollaboration am CERN-AD Messungen des (n,L)=(37,35) Zustandes von antiprotonischem Helium-4 mit dem Ziel durch, den Wert des magnetischen Moments des Antiprotons um einen Faktor 3 oder mehr zu verbessern. Wir schlagen in diesem Projekt vor, die Messungen auf einen weiteren Zustand in antiprotonischem Helium-4 auszudehnen, und die Hyperfeinstruktur von antiprotonischem Helium-3 zum ersten Mal überhaupt zu untersuchen. Der Kernspin von Helium-3 führt zu einer weiteren Aufspaltung und damit zu einer Oktoplet-Struktur, die eine noch größere Herausforderung für die Dreikörper-QED-Rechnungen darstellt. Das vorgeschlagene Projekt wird in Zusammenarbeit mit zwei russischen Gruppen bearbeitet. Die russischen Partner werden die Genauigkeit der bisherigen Berechnungen der Frequenzintervalle der zu untersuchenden Zustände verbessern (V.I. Korobov, JINR Dubna) sowie die Stossprozesse zwischen antiprotonischem Helium und der Umgebung genauer untersuchen (G. Ya. Korenman, Moscow State University), welche zu Verschiebungen des Resonanzlinien führen können. Diese Ergebnisse sind ebenso notwendig, um die Linienformen der Resonanzkurven unter experimentellen Bedingungen zu beschreiben und damit die Linienschwerpunkte genau zu bestimmen. Das Projekt wird eine genaue und systematische Untersuchung der Hyperfeinstruktur von antiprotonischem Helium-3 und Helium-4 ermöglichen und eine verlässliche Bestimmung des magnetischen Momentes des Antiprotons mit erhöhter Genauigkeit liefern. Es stellt einen empfindlichen Test der theoretischen Beschreibung von antiprotonischen Helium, seiner Wechselwirkung mit der Umgebung sowie letztendlich der CPT-Symmetrie dar.

Ziel des Projektes war eine präzise Vermessung der Hyperfeinstruktur von antiprotonischem Helium, einem exotischen Dreikörpersystem bestehend aus einem Helium Kern, einem Elektron, und einem Antiproton. Das Antiproton besetzt in diesem exotischen Atom hochangeregte langlebige Zustände, die durch die Hyperfeinwechselwirkung der Spins der Konstituenten aufgespalten werden. Der Spin ist eine intrinsische Eigenschaft der Teilchen und kann durch die genaue Messung der Hyperfeinaufspaltung und den Vergleich der Messergebnisse mit theoretischen Berechnungen, die auf den neuesten Erkenntnissen der Quantenelektrodynamik (QED) beruhen, bestimmt werden. Der Vergleich des so erhaltenen Spins des Antiprotons mit dem aus anderen Messungen bekannten Wert des Protons führt zu einer der genausten Überprüfungen der Materie-Antimateriesymmetrie für Hadronen, d.h. Teilchen, die der starken Wechselwirkung unterliegen.Innerhalb dieses Projektes konnte die Hyperfeinstruktur von antiprotonischem 3He, bei dem der Kern des exotischen Atoms aus einem der zwei Isotope von Helium besteht, erstmals gemessen werden. Da der 3He-Kern selbst einen Spin besitzt, stellt dieses System eine weitaus größere Herausforderung für die Theorie dar und überprüft die Rechnungen daher strenger als das früher verwendete 4He. Ein Paar von mikrowelleninduzierten Übergängen konnte erstmals auf etwa ein Zehn-Millionstel genau bestimmt werden. Der gemessene Wert stimmt mit den theoretischen Voraussagen innerhalb der Genauigkeit überein und bestätigt somit eindrucksvoll die benutzten Rechenmethoden, mit Hilfe derer die genausten Werte für die Masse und den Spin des Antiprotons aus früheren Messungen extrahiert wurden. Des Weiteren wurden erstmals die Raten von Stoßprozessen dieses exotischen Atoms mit gewöhnlichen Heliumatomen gemessen, die ebenfalls die theoretischen Voraussagen bestätigten.