Radiative collisional quenching of the metastable muonic-helium ion μHe⁺(2S)

Summary

A complete quantum-mechanical treatment of the collisional quenching of the metastable μHe⁺(2S) ion is presented. The calculations, based on the distorted-wave approximation, demonstrate that the most important effect leading to destruction of the metastable ion is the formation of a bound molecule [μHe⁺(2P)He]; once this molecule is formed, the muon undergoes an electromagnetic transition to the ground state in a very short time (∼5·10⁻¹³s). The results of the calculation are strongly dependent upon the form of the short-range interaction between the muonic ion and the He atoms, suggesting that precision measurements of the lifetime of the metastable 2S-level in muonic helium could yield useful information about the form of this interaction. The quenching rates predicted on the basis of the present theory are found to be larger than the experimentally observed ones; however, as many-body effects could be important at the pressures at which the experiments have been performed, it is suggested that lowpressure experiments would be useful in testing the validity of the theory.

Riassunto

La probabilità di diseccitazione dello ione metastabile μHe⁺(2S) in seguito a collisioni contro atomi di elio è stata calcolata quantisticamente nell’approssimazione di onda distorta. Si mostra che la formazione dello ione molecolare [μHe⁺(2P)He] giuoca un ruolo essenziale nel meccanismo di reazione; in seguito alla formazione di tale molecola il μ decade allo stato fondamentale in un tempo dell’ordine di 10⁻¹³ s. I risultati sono sensibili alla forma del potenziale d'interazione fra l’atomo di elio e lo ione muonico, sì che misure precise della vita media del sistema μHe⁺(2S) potrebbero fornire informazioni sul potenziale stesso. La probabilità di transizione calcolata è sensibilmente maggiore di quella osservata sperimentalmente; si fa l’ipotesi che collisioni multiple e formazione di agglomerati di atomi di elio attorno allo ione siano responsabili della discrepanza. Misure della vita media dello ione muonico μHe⁺(2S) in targhette a bassa densità potrebbero chiarire questo punto.

Резюме

Предлагается полностью квантовомеханическое рассмотрение столкновительного подавления метастабильного μHe⁺(2S) иона. Вычисления, основанные на приближении искаженных волн, обнаруживают, что наиболее важный эффект, приводящий к разрушению метастабильного иона, представляет образование связанной молекулы [μHe⁺(2P)He]. Сначала образуется эта молекула, а затем мюон претерпевает электромагнитный переход в основное состояние за очень короткое время (∼5·10⁻¹³ сек). Результаты вычисления сильно зависят от формы короткодействующего взаимодействия между мюонным ионом и атомами Не. Предполагается, что точные измерения времени жизни метастабильного 2S уровня в мюонном гелии могут дать полезную информацию о форме этого взаимодействия. Получено, что предсказанная на основе предложенной теории интенсивность подавления оказывается больше экспериментально наблюденной. Однако, так как многочастичные эффекты могут быть существенны при давлениях, при которых проводились эксперименты, то указывается, что эксперименты при более низких давлениях были бы полезны для проверки справедливости предложенной теории.