反质子氦亚稳态能级结构的理论研究

The antiprotonic helium atoms consisting of a helium nucleus, an electron and an antiproton are exotic three-body system, which exhibit extraordinary properties and phenomena. It is one of the systems to study the basic antiparticle properties. However, the theoretical model and method are not satisfying, although there are many high-precision experimental data available in the literature.At present, information about the antiprotonic helium is far from adequate.Thus the reliable theoretical prediction for the properties of antiprotonic Helium is obviously of significance..The metastable states concerned in the calculation are called Feshbach resonant states. The large (n, l) states in the atomic model are assigned as the molecular states of corresponding rotational and vibration quantum numbers， because of the dual characters of an exotic atom and diatomic molecule. In this work, the energies for J=33～37 below the n=2 threshold are going to be calculated with Ritz variational method , which employs three types of coupling schemes among and on the same basis. The three coupling channels are suitable for describing different atomic pictures: one is suitable for describing the atomic picture, another one is for the diatomic picture and the third one is suitable for describing the correlation between the electron and the antiproton. Thus all the correlations can be taken into account on an equal footing. This method with Gaussian basis functions has been successfully applied to few-body systems and the calculational precision was high.In order to obtain high-precision theoretical results,the relativistic effects and mass polarization effect on energy are evaluated as the first-order perturbation corrections, the contribution from quantum-electrodynamics (QED) correction is also included. Based on the energies and wavefunations, the fine structures and super fine structures can be determined with the results obtained. Combined the Gaussian basis functions with double precision calculation method,which provide higher precision for the results, some new accurate theoretical results of structure and property of antiprotonic Helium are expected.

反质子氦物理性质的研究是原子物理学研究的前沿热点之一。在实验研究方面已经取得了丰富的成果，高精度实验数据的积累为理论工作的发展创造了必要的条件。国际的研究工作者进行了多次理论探索，但是由于理论模型和计算方法还未成熟，还存在大量研究空白，已有的理论结果和实验数据相差较大，不能满足高精度的实验要求。本项目针对反质子氦原子特征和分子特征共存的特点，在 Gaussian展开方法基础上进行改进，引入双精度算法，提高计算的精度。通过构造由线性无关的三通道基函数形成的波函数描述体系的物理图像，考虑相对论效应和量子电动力学效应（QED）对体系的影响，利用Ritz变分法计算体系能量本征值，对主量子数 n=33～37的亚稳态能级结构（跃迁能、精细结构和超精细结构）进行理论研究。

反质子氦是一个比较独特的个体：一方面，可以视为一个电子被反质子所代替的氦原子；另一方面，可以视为 核将电子束缚在基态的类氢原子；最后，还可以把它看作是一个电荷为+2的原子核和电荷为-1的原子核组成的双原子分子。同时具备原子特征、分子特征的混合性使得反质子氦成为一个奇特的研究对象，引起了国际科学工作者的极大兴趣，是物理学研究的热点之一。 反质子氦亚稳态的形成和存在为反质子的研究开辟了一条新途径，将光谱理论结果与实验数据相结合可以得到反质子性质和结构的精确数据，可以促进对反质子物理特性(如电荷、质量、自旋/轨道磁矩和 QED效应)研究，进而可以检验 CPT(Charge,Parity,Time reversal transformation)不变性、弱等效原理、物质反物质间的相互作用等。更具研究意义的是：在我们“物质”世界里并不存在质子绕轨道运行的原子体系，所以不能通过实验观测质子的行为而间接获得反质子的物理特性。理论数据为重子领域的CPT不变性提供了一个严格的测试的同时，假设CPT不变性成立可以得到反质子与电子的质量的比率，由此可以得到反质子的基本信息。项目组首先构建描述反质子和电子间关联效应通道的波函数；利用变分法计算体系的非相对论能量；然后，在此基础上考虑相对论效应和 QED效应对体系能量的修正，完成反质子氦亚稳态能级结构的理论计算。项目组已完成了 亚稳态（l=29~41，v=0,1,2,3,4)波函数构造和调试，并获得了比较准确可靠的非相对论能级计算结果，非相对论修正部分的计算还在持续进行中。 目前为止，利用低能反质子环(LEAR)和反质子加速器(AD)完成了高精度的实验，已经积累了部分关于反质子氦的能级结构和跃迁特性的实验数据，但是还没有产生被大部分研究者普遍接受的合理的理论模型，这就凸显出形成应用于反质子氦复杂情形的可靠理论的重要性。因此本项目构建的理论模型和采用的计算方法是切实可行。项目研究过程获得的可靠数据可以验证实验事实，有助于更加深入认识反质子氦的物理特性和品质；另一方面，也为实验提供理论预言，促进实验技术和方法的改进，增加实验的目的性和精确性。