Ein besonderes Gebiet stellen die antiprotonischen Atome dar. Der Einfang in der Hülle läuft zunächst nach den üblichen Regeln des Einfangs schwerer, einfach negativ geladener Teilchen ab, die der elektromagnetischen Wechselwirkung unterliegen. Die beobachteten Spektren in H, He und anderen leichten Atomen entsprechen den theoretischen Vorhersagen für grosse Quantenzahlen. Für kleinere n beginnt dann die starke Wechselwirkung zu dominieren, es bildet sich beispielsweise im antiprotonischen Wasserstoff das System Protonium , welches ähnlich dem Positronium über die Teilchen-Antiteilchenvernichtung, hier aber über starke Wechselwirkung, mit einer hohen Rate zerfällt. Eine grosse experimentelle wissenschaftliche Leistung war die genaue Spektroskopie der Energiedifferenzen einiger hochangeregter Zustände in antiprotonischem neutralem  mittels Laserspektroskopie zu Beginn der neunziger Jahre.

 

Atome aus Antimaterie

Die Untersuchung von neutraler Antimaterie mit hoher Genauigkeit war spätestens seit der Synthese des Antideuterons, eines stark gebundenen Systems, vor mehr als dreissig Jahren ein vorrangiges Ziel der Physik. Während die starke, die elektromagnetische und die schwache Kraft als gleich für Materie und Antimaterie nachgewiesen wurden, bleibt diese Frage für die Gravitation offen, solange Experimente mit neutraler Antimaterie ausstehen. Deshalb wurde die Erzeugung eines neutralen, nur aus Antimaterie bestehenden Atoms, des Antiwasserstoffs (), auf unterschiedlichen Wegen versucht. Unter den verschiedenen Ansätzen einer Speicherung von Antiprotonen und Positronen in demselben Speichervolumen und einer Bindung durch Dreierstösse, einer laserinduzierten Rekombination von parallelen, in das gleiche Volumen fokussierten - und e⁺-Strahlen gleicher Geschwindigkeit durch laserinduzierte Rekombination aus dem Kontinium und einer assoziierten Produktion von  und e⁺ im gleichen Phasenraum mit simultaner Bindung hat die letztgenannte Methode zu einem ersten Nachweis von Antiwasserstoff geführt. Allerdings eignet sich diese wenig für eine Präzisionsmessung der Gravitationskraft auf den gebildeten Antiwasserstoff. Hier werden am ehesten die Fallenmethoden erfolgreich sein, vor allem wenn es in Zukunft gelingen sollte, ganze Antiwasserstoffkondensate zu erzeugen.

 

Positronium und Myonium

a) Positronium

Schliesslich gehören auch die künstlichen Atome Positronium und Myonium zu den exotischen Atomen.

Positronium wurde Anfang der fünfziger Jahre entdeckt und seitdem mit immer grösserer Genauigkeit in Bezug auf seine Termenergien und Zerfallskonstanten in den verschiedenen Kopplungszuständen untersucht. Positronium wird gebildet, wenn Positronen (e⁺) aus einer Quelle, beispielsweise ²²Na oder ⁶⁴Cu, in einem Gas (z.B. Argon) oder einem feindispersen Pulver abgebremst werden und dort am Ende des Bremsprozesses an ein Elektron durch Ladungseinfang gebunden werden. (Heute sind eigentlich nur noch die Pulvermethoden von Interesse, Gase werden kaum noch verwendet.) Positron und Elektron bilden den n = 1-Grundzustand 1¹S₀ (Spins antiparallel, Parapositronium) und 1³S₁ (Spins parallel, Orthopositronium). (Im Myonium und bei den Wasserstoffatomen bezeichnet man diese Zustände als Hyperfeinstruktur und belegt sie mit den Quantenzahlen F = 0 und F = 1). Bei der Annihilation in Photonen spielt die C-Parität (l + s)^-1 eine wichtige Rolle. Da das Photon die C-Parität C = -1 hat, erfolgt der Zerfall abhängig von den Quantenzahlen des Zustandes jeweils in eine gerade oder ungerade Anzahl von Photonen. Der ¹S₀-Zustand zerfällt vornehmlich über einen kollinearen Zweiquantenzerfall mit der Energie der Ruhemasse von e⁺ bzw. e^- von E_g = 511 keV und einer Lebensdauer von t(¹S₀) = 1,25 · 10^-10 s. Der ³S₁-Zustand zerfällt hauptsächlich über drei g-Quanten mit t(³S₁) = 1,4 · 10^-7 s. Der grosse Unterschied in der Lebensdauer der beiden Zustände bewirkt eine Ungleichbesetzung von ¹S₀ und ³S₁, was für eine spektroskopische Messung von deren Energieabstand ausgenutzt werden kann. Induzierte Hochfrequenzübergänge vom ³S₁ in den ¹S₀ Zustand erhöhen die Zahl der kollinearen 2g-Zerfälle mit der scharfen Energie von 511 keV, was über geeignete Detektoren nachgewiesen werden kann. - Schliesslich sei noch erwähnt, dass auch die angeregten n = 2-Zustände des Positroniums nachgewiesen und untersucht werden konnten.

Positronium ist ein ideales System, um die Quantenelektrodynamik (QED) und deren Korrekturen zu studieren, da diese fast ausschliesslich für die Wechselwirkung zwischen den Leptonen e⁺ und e^- verantwortlich ist. In niedrigster Ordnung gilt

(R_¥: Rydberg-Konstante), wobei die Beiträge von der Breit-Wechselwirkung (magnetische WW) und der Paarvernichtung herrühren. Unter Berücksichtigung von Termen höherer Ordnung in a²R_¥ und a³R_¥ ergibt sich für DE = (1³S₁ - 1¹S₀)_theor = 2,03380 · 10¹¹ Hz, was mit dem experimentellen Wert DE = (1³S₁ - 1¹S₀)_exp = 2,033 98(11) · 10¹¹ Hz verglichen werden muss. Die Übereinstimmung beider Werte zeigt die Zuverlässigkeit, mit der Rechnungen in der QED durchgeführt werden können.

Die Annihilationsrate für Positronium in 2g- oder 3g-Zerfällen ist in der QED ebenfalls genau berechenbar. Die entsprechenden Ergebnisse lauten für den 1¹S₀-Zustand: t_exp = 0,799(11) · 10¹⁰ s^-1 und t_theor = 0,79854(36) · 10¹⁰ s^-1, für den 1³S₁ Zustand: t_exp = 0,7262(15) · 10⁷ s^-1 und t_exp = 0,72119(39) · 10⁷ s^-1.

Positronium spielt nicht nur als freies Atom zum Test der QED eine bedeutende Rolle, sondern auch als System zur Suche nach seltenen Zerfällen oder nach exotsichen Teilchen wie dem Axion. Schliesslich dient es als Sonde im Festkörper, beispielsweise, um lokale Elektronendichten oder Diffusionsprozesse zu untersuchen.

 

b) Myonium

Ebenso wie Positronium ist auch Myonium (M = m⁺e^-) ein rein leptonisches Atom, in dem die elektromagnetische Wechselwirkung dominiert. Da zwischen zwei ungleichen Leptonen aber keine Paarvernichtung stattfinden kann, wird die Lebensdauer von M durch die Lebensdauer des m⁺ von t_m⁺ = 2,197 03(4) · 10^-6 s bestimmt. Diese relativ lange Lebensdauer des M-Atoms macht es für hochpräzise Experimente zur Messung seiner Energieaufspaltung besonders geeignet. Das Spektrum von Myonium ([14]Abb. 5) im Grund- und ersten angeregten Zustand zeigt, welche Messungen möglich sind. Aus der Hyperfeinstrukturaufspaltung des Grundzustandes

(m_m magnet. Moment des Myons, m₀ Bohrsches Magneton, m Massen der Leptonen) lassen sich bei Messungen im Nullfeld sowie im schwachen und starken Magnetfeld das magnetische Moment des Myons bzw. dessen Masse und die Feinstrukturkonstante a extrahieren. Eine Messung der Übergangsfrequenz zwischen dem 1²S_1/2- und 2²S_1/2-Zustand ergibt einen präzisen Wert für die Masse m_m des Myons. Die genaue Kenntnis dieser Werte ist unabdingbar, wenn aus einer gegenwärtig laufenden, neuen Messung des g-Faktors des Myons kleine Beiträge der starken und schwachen Wechselwirkung neben der dominierenden elektromagnetischen isoliert werden sollen, um mögliche Beiträge von bislang unbekannten exotischen Wechselwirkungen zu erkennen.

Experimentell wird Myonium durch Einfang von Elektronen in einem Gastarget oder in einer Festkörperoberfläche aus SiO₂-Pulver feinster Körnung hergestellt. [15]Abb. 6 zeigt ein Experiment zur Beobachtung von Hochfrequenzübergängen in M. Da Myonen wegen der Nichterhaltung der Parität im schwachen Zerfall p⁺  m⁺ + n_m polarisiert erzeugt werden und diese Ausrichtung des Myonspins auch bei der Myonium-Bildung erhalten bleibt, lassen sich spindepolarisierende Hochfrequenzübergänge an der Änderung der Winkelverteilung der Zerfallspositronen im Zerfall p⁺  e⁺ + n_e + n_m nachweisen. Ein so gewonnenes Resonanzsignal zeigt [16]Abb. 7. Nach 38 Jahren der Forschung am Myoniumatom konnte der Wert von Dn_hfs,1s(Myonium) von 4 461,3 ± 2,2 MHz zu 4 463,302 764 (54) MHz verbessert werden. Dies wurde auch dadurch möglich, dass eine Verengung der Resonanzlinie unter die natürliche Linienbreite von dn » 1/(pt_m) » 145 kHz gelang, indem nur solche Zerfälle registriert wurden, die von Myonium-Atomen stammten, die sehr viel länger als t_m kohärent, d.h. in fester Phasenbeziehung mit dem Hochfrequenzfeld in Wechselwirkung getreten waren. Die Registrierung jedes einzelnen Erzeugungs- und Zerfallszeitpunktes des Myonium-Atoms lässt eine solche Auswahl zu.

Die Messung der 1s-2s-Energiedifferenz in Myonium erfolgte über den induzierten Zweiphotonenübergang 1²S_1/2-2²S_1/2. Hierzu war ein sehr leistungsfähiges Lasersystem bei einer Wellenlänge von l = 244 nm notwendig, welches im Takt der durch einen Beschleuniger gepulsten Erzeugung der Myonen arbeitete. Der Nachweis für die induzierte Besetzung des angeregten 2²S_1/2-Zustands durch Zweiphotonenabsorption wurde über die Photoionisation dieses angeregten Myonium-Atoms durch ein weiteres Quant von 244 nm aus dem gleichen Lichtfeld bewerkstelligt, so dass als Signal ein energie- und massenselektiertes m nachgewiesen werden konnte. Als bester Messwert ergab sich bisher Dn(1²S_1/2-2²S_1/2) =  2 455,529 002 (57) MHz. Weitere Untersuchungen im Myonium zielten auf die Lamb-Verschiebung in den n = 1- und n = 1-Zuständen und die Feinstrukturaufspaltung 2²P_1/2-2²P_3/2.

Für alle Elementarteilchen stellt sich die Frage der Erhaltung ihrer Quantenzahlen. Myonium bietet hier die Möglichkeit, den Übergang des gebundenen Systems M = (m⁺e^-) in sein Antisystem  zu untersuchen, bei dem Energie und Ladungserhalt gegeben sind und nur die separate Leptonenzahlerhaltung für e und m verletzt wird. In vielen zum Teil spekulativen Modellen wird aber eine Verletzung dieser Variante der Leptonenzahlerhaltung vorausgesagt, allerdings mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit. Die Suche nach dieser Konversion läuft seit dreissig Jahren, im letzten Experiment wurde M im Vakuum erzeugt und die Zerfallsprodukte nach einem hochenergetischen e^- (aus dem m^--Zerfall) und einem langsamen e⁺ (aus der Hülle von ) analysiert. Die neuesten Messungen ergeben für die Konversionsrate  (90 % C.L.) und für die Kopplungskonstante  (90 % C.L.) in Einheiten der Fermi-Kopplungskonstanten G_F. Durch diese Messungen konnten verschiedene Modelle, die eine M--Konversion mit einer bestimmten Intensität postulieren, ausgeschlossen werden. Ausserdem konnte eine untere Grenze für die Masse eines bileptonischen Eichbosons von m > 2,7 TeV angegeben werden.

Schliesslich muss noch die Synthese des Pioniumatoms P = (p⁺e^-) erwähnt werden, welches aber wegen der gegenwärtig verfügbaren Pionenquellen noch nicht näher untersucht werden konnte. Da das Pion keinen Spin hat, lassen sich hier vor allem die n = 1- nach n = 2-Übergänge untersuchen, um Informationen über die endliche Ausdehnung der p-Ladung (Pion-Formfaktor) zu erhalten. Die kurze Lebensdauer des p⁺ macht solche Experimente aber erst mit der nächsten Generation von Beschleunigern mit wesentlich grösseren Intensitäten erfolgversprechend.

Neue Beschleuniger mit hohen Intensitäten lassen auch auf die Erzeugung von solchen exotischen Atomen hoffen, die aus zwei instabilen Teilchen bestehen, beispielsweise  und K⁺K^- sowie viele andere Kombinationen. Immerhin gelang es schon vor mehr als 20 Jahren, aus dem Zerfall  einige Fälle zu isolieren, bei denen p und m mit gleicher Geschwindigkeit in einen so engen Raumwinkel emittiert wurden, dass sie als gebundenes System nachgewiesen werden konnten.

Zusammenfassend lässt sich festellen, dass die exotischen Atome viel zum Wissen über die exotischen Teilchen und deren Bindung im Atom sowie zur Ausdehung und Gestalt der Atomkerne beigetragen haben. Die einfachen, rein leptonischen und wasserstoffähnlichen exotischen Atome dienten mit zu den genauesten Tests der Quantenelektrodynamik, die in gebundenen atomaren Systemen vorgenommen wurden. Ausserdem lassen sich in so einfachen Systemen von gebundenen Elementarteilchen fundamentale Symmetrien in der Physik sauber testen.

Exotische Atome 1: Termschema von myonischen Atomen. Die Myonen werden in den obersten Zuständen eingefangen, ionisieren die äussere Hülle durch den Auger-Effekt und fallen dann unter Aussendung von Röntgenstrahlung (g-Strahlung) in den Grundzustand.

Exotische Atome 2: Myonische Röntgenlinien von Neodymisotopen mit Massenzahlen von A = 142 bis A = 150.

Exotische Atome 3: Änderung der Ladungsverteilung für Ca-Isotope von A = 40 bis A = 48 aus myonischen Spektren.

Exotische Atome 4: C-t-Diagramm; a) C-t-Diagramm für Neodym ¹⁴²Nd für drei verschiedene Übergänge. Die Überkreuzung der drei Parameterlinien ergibt C » 1,13, t » 0,48. b) Veranschaulichung der Grössen C und t.

Exotische Atome 5: Ausschnitt aus dem Termschema des Myoniums für die ersten beiden Hauptquantenzahlen, die durch doppellinige Pfeile symbolisierten Übergänge wurden bislang vermessen.

Exotische Atome 6: Aufbau des Myoniumexperiments in Los Alamos zur Messung der Hyperfeinstruktur. In einem supraleitenden Magneten, der ein sehr homogenes Magnetfeld von 1,7 Tesla erzeugt, werden positive Myonen aus einem Beschleuniger in ein Edelgastarget geschossen. Dort bilden sie Myonium und können hochfrequenzspektroskopisch untersucht werden. Da das Myonium polarisiert hergestellt wird, lässt sich aus der Asymmetrie der Zerfallpositronen des Myons nachweisen, ob durch die Mikrowellenresonanz das Myonium depolarisiert wurde.

bottom:.0001pt\'>Exotische Atome 7: Mikrowellenresonanzlinien der beiden Zeeman-Übergänge (a) n₁₂ und (b) n₃₄ in Myonium. Die Breite der mit der Technik der Beobachtung alter Myoniumatome gewonnenen Signale (8-10 ms entsprechend 4-5 Lebensdauern) liegt etwa bei der Hälfte der Breite der mit konventioneller Technik spektroskopierten Resonanzen. Gleichzeitig sind die verschmälerten Signale vierfach höher.