- Open Access
Stability conditions for bound states in antiprotonic atoms
Phys. Rev. C 112, 015207 – Published 17 July, 2025
DOI: https://doi.org/10.1103/c5z1-3dtq
Abstract
We study the stability of bound antiprotons in close proximity to the atomic nucleus. Using experimental data from x-ray spectroscopy measurements of antiprotonic atom transitions, we tune a minimal theoretical framework and estimate parameter ranges where the strong or electromagnetic decay channels govern the stability of the deepest bound states. In this way, we present an overview of the dominant decay mechanism of antiprotonic orbits for a given principle quantum number, to assist future spectroscopic experiments on antiprotonic atoms.
Physics Subject Headings (PhySH)
Article Text
References (56)
- M. S. Safronova, D. Budker, D. DeMille, D. F. J. Kimball, A. Derevianko, and C. W. Clark, Rev. Mod. Phys. 90, 025008 (2018).
- M. G. Kozlov, M. S. Safronova, J. R. Crespo López-Urrutia, and P. O. Schmidt, Rev. Mod. Phys. 90, 045005 (2018).
- N. Paul, G. Bian, T. Azuma, S. Okada, and P. Indelicato, Phys. Rev. Lett. 126, 173001 (2021).
- B. Ohayon, G. Janka, I. Cortinovis, Z. Burkley, L. d. S. Borges, E. Depero, A. Golovizin, X. Ni, Z. Salman, A. Suter, C. Vigo, T. Prokscha, and P. Crivelli (Mu-MASS Collaboration), Phys. Rev. Lett. 128, 011802 (2022).
- T. Hashimoto, S. Aikawa, T. Akaishi, H. Asano, M. Bazzi, D. A. Bennett, M. Berger, D. Bosnar, A. D. Butt, C. Curceanu, W. B. Doriese, M. S. Durkin, Y. Ezoe, J. W. Fowler, H. Fujioka, J. D. Gard, C. Guaraldo, F. P. Gustafsson, C. Han, R. Hayakawa et al. (J-PARC E62 Collaboration), Phys. Rev. Lett. 128, 112503 (2022).
- P. D. Barnes, S. Dytman, R. A. Eisenstein, W. C. Lam, J. Miller, R. B. Sutton, D. A. Jenkins, R. J. Powers, M. Eckhause, J. R. Kane, B. L. Roberts, R. E. Welsh, A. R. Kunselman, R. P. Redwine, and R. E. Segel, Phys. Rev. Lett. 29, 1132 (1972).
- H. Liu, B. Ohayon, O. Shtaif, and Y. Soreq, arXiv:2502.03537.
- W. A. Beck, L. Wilets, and M. A. Alberg, Phys. Rev. A 48, 2779 (1993).
- M. Hori, A. Sótér, D. Barna, A. Dax, R. S. Hayano et al., Nature (London) 475, 484 (2011).
- G. Baptista, S. Rathi, M. Roosa, Q. Senetaire, J. Sommerfeldt, T. Azuma, D. Becker, F. Butin, O. Eizenberg, J. Fowler, H. Fujioka, D. Gamba, N. Garroum, M. Guerra, T. Hashimoto, T. Higuchi, P. Indelicato, J. Machado, K. Morgan, F. Nez et al., arXiv:2501.08893.
- S. Wycech, J. Skalski, R. Smolańczuk, J. Dobaczewski, and J. R. Rook, Phys. Rev. C 54, 1832 (1996).
- A. Trzcińska, J. Jastrzȩbski, P. Lubiński, F. J. Hartmann, R. Schmidt, T. von Egidy, and B. Kłos, Phys. Rev. Lett. 87, 082501 (2001).
- E. Friedman and A. Gal, Nucl. Phys. A 658, 345 (1999).
- A. Gal, E. Friedman, and C. Batty, Phys. Lett. B 491, 219 (2000).
- C. Batty, E. Friedman, and A. Gal, Nucl. Phys. A 689, 721 (2001).
- A. Bamberger, U. Lynen, H. Piekarz, J. Piekarz, B. Povh, H. Ritter, G. Backenstoss, T. Bunaciu, J. Egger, W. Hamilton, and H. Koch, Phys. Lett. B 33, 233 (1970).
- M. Doser, Prog. Part. Nucl. Phys. 125, 103964 (2022).
- C. J. Batty, Antiprotonic atoms, in Antiproton-Nucleon and Antiproton-Nucleus Interactions, edited by F. Bradamante, J.-M. Richard, and R. Klapisch (Springer US, Boston, 1990), pp. 251–278.
- G. Backenstoss, Contemp. Phys. 30, 433 (1989).
- B. Kłos, S. Wycech, A. Trzcińska, J. Jastrzębski, T. Czosnyka, M. Kisieliński, P. Lubiński, P. Napiorkowski, L. Pieńkowski, F. J. Hartmann, B. Ketzer, R. Schmidt, T. von Egidy, J. Cugnon, K. Gulda, W. Kurcewicz, and E. Widmann, Phys. Rev. C 69, 044311 (2004).
- A. Sótér, H. Aghai-Khozani, D. Barna, A. Dax, L. Venturelli, and M. Hori, Nature (London) 603, 411 (2022).
- T. Aumann, W. Bartmann, O. Boine-Frankenheim, A. Bouvard, A. Broche, F. Butin, D. Calvet, J. Carbonell, P. Chiggiato, H. De Gersem, R. De Oliveira, T. Dobers, F. Ehm, J. F. Somoza, J. Fischer, M. Fraser, E. Friedrich, A. Frotscher, M. Gomez-Ramos, J.-L. Grenard et al., Eur. Phys. J. A 58, 88 (2022).
- R. Caravita, Long-term outlook for the AEgIS experimental program, CERN Technical Report No. CERN-SPSC-2025-014, 2025 (unpublished).
- R. Schmidt, F. J. Hartmann, T. von Egidy, T. Czosnyka, J. Iwanicki, J. Jastrzȩbski, M. Kisieliński, P. Lubiński, P. Napiorkowski, L. Pieńkowski, A. Trzcińska, J. Kulpa, R. Smolańczuk, S. Wycech, B. Kłos, K. Gulda, W. Kurcewicz, and E. Widmann, Phys. Rev. C 58, 3195 (1998).
- G. Royer and R. Rousseau, Eur. Phys. J. A 42, 541 (2009).
- W. Kanert, F. J. Hartmann, H. Daniel, E. Moser, G. Schmidt, T. von Egidy, J. J. Reidy, M. Nicholas, M. Leon, H. Poth, G. Büche, A. D. Hancock, H. Koch, T. Köhler, A. Kreissl, U. Raich, D. Rohmann, M. Chardalas, S. Dedoussis, M. Suffert et al., Phys. Rev. Lett. 56, 2368 (1986).
- A. Trzcińska, J. Jastrzębski, T. Czosnyka, T. von Egidy, K. Gulda, F. Hartmann, J. Iwanicki, B. Ketzer, M. Kisieliński, B. Kłos, W. Kurcewicz, P. Lubiński, P. Napiorkowski, L. Pieńkowski, R. Schmidt, and E. Widmann, Nucl. Phys. A 692, 176 (2001).
- C. Batty, E. Friedman, and A. Gal, Phys. Rep. 287, 385 (1997).
- H. Yukawa, Proc. Phys.-Math. Soc. Jpn. 3rd Ser. 17, 48 (1935).
- H. Poth, R. Abela, G. Backenstoss, P. Blüm, W. Fetscher, R. Hagelberg, M. Izycki, H. Koch, A. Nilsson, P. Pavlopoulos, L. Simons, and L. Tauscher, Phys. Lett. B 76, 523 (1978).
- A. Kreissl, A. D. Hancock, H. Koch, T. Köhler, H. Poth, U. Raich, D. Rohmann, a. Wolf, L. Tauscher, A. Nilsson, M. Suffert, M. Chardalas, S. Dedoussis, H. Daniel, T. von Egidy, F. J. Hartmann, W. Kanert, H. Plendl, G. Schmidt, and J. J. Reidy, Z. Phys. C: Part. Fields 37, 557 (1988).
- F. J. Hartmann, R. Schmidt, B. Ketzer, T. von Egidy, S. Wycech, R. Smolańczuk, T. Czosnyka, J. Jastrzȩbski, M. Kisieliński, P. Lubiński, P. Napiorkowski, L. Pieńkowski, A. Trzcińska, B. Kłos, K. Gulda, W. Kurcewicz, and E. Widmann, Phys. Rev. C 65, 014306 (2001).
- D. Gotta, K. Rashid, B. Fricke, P. Indelicato, and L. Simons, Eur. Phys. J. D 47, 11 (2008).
- P. Roberson, T. King, R. Kunselman, J. Miller, R. J. Powers, P. D. Barnes, R. A. Eisenstein, R. B. Sutton, W. C. Lam, C. R. Cox, M. Eckhause, J. R. Kane, A. M. Rushton, W. F. Vulcan, and R. E. Welsh, Phys. Rev. C 16, 1945 (1977).
- H. Pilkuhn and H. G. Schlaile, Phys. Rev. A 27, 657 (1983).
- A. Veitia and K. Pachucki, Phys. Rev. A 69, 042501 (2004).
- J. Zatorski, V. Patkóš, and K. Pachucki, Phys. Rev. A 106, 042804 (2022).
- V. Patkóš, V. A. Yerokhin, and K. Pachucki, Phys. Rev. A 109, 022819 (2024).
- V. I. Korobov and D. D. Bakalov, Phys. Rev. Lett. 79, 3379 (1997).
- V. Patkóš and K. Pachucki, Phys. Rev. A 110, 022813 (2024).
- R. Bacher, P. Blüm, D. Gotta, K. Heitlinger, M. Schneider, J. Missimer, L. M. Simons, and K. Elsener, Phys. Rev. A 38, 4395 (1988).
- M. Leon, Phys. Lett. B 53, 141 (1974).
- C. Batty, S. Biagi, M. Blecher, R. Kunselman, R. Riddle, B. Roberts, J. Davies, G. Pyle, G. Squier, D. Asbury, and M. Leon, Nucl. Phys. A 296, 361 (1978).
- M. Leon, J. Bradbury, P. Gram, R. Hutson, M. Schillaci, C. Hargrove, and J. Reidy, Nucl. Phys. A 322, 397 (1979).
- J. J. Reidy, M. Nicholas, J. N. Bradbury, P. A. M. Gram, R. L. Hutson, M. Leon, M. E. Schillaci, F. J. Hartmann, and A. R. Kunselman, Phys. Rev. C 32, 1646 (1985).
- S. Wycech, G. Liu, and A. Green, Phys. Lett. B 252, 27 (1990).
- S. Wycech, F. Hartmann, H. Daniel, W. Kanert, H. Plendl, T. von Egidy, J. Reidy, M. Nicholas, L. Redmond, H. Koch, A. Kreissl, H. Poth, and D. Rohmann, Nucl. Phys. A 561, 607 (1993).
- F. P. Gustafsson, D. Pęcak, and T. Sowiński, Phys. Rev. C 109, 064320 (2024).
- D. Andrae, Phys. Rep. 336, 413 (2000).
- B. Hu, W. Jiang, T. Miyagi, Z. Sun, A. Ekström, C. Forssén, G. Hagen, J. D. Holt, T. Papenbrock, S. R. Stroberg, and I. Vernon, Nat. Phys. 18, 1196 (2022).
- Th. Köhler, P. Blüm, G. Büche, A. Hancock, H. Koch, A. Kreissl, H. Poth, U. Raich, D. Rohmann, G. Backenstoss, C. Findeisen, J. Repond, L. Tauscher, A. Nilsson, S. Carius, M. Suffert, S. Charalambus, M. Chardalas, S. Dedoussis, H. Daniel et al., Phys. Lett. B 176, 327 (1986).
- C. Batty, Nucl. Phys. A 372, 418 (1981).
- G. Kalbermann, E. Friedman, A. Gal, and C. Batty, Nucl. Phys. A 503, 632 (1989).
- B. Kłos, A. Trzcińska, J. Jastrzębski, T. Czosnyka, M. Kisieliński, P. Lubiński, P. Napiorkowski, L. Pieńkowski, F. J. Hartmann, B. Ketzer, P. Ring, R. Schmidt, T. v. Egidy, R. Smolańczuk, S. Wycech, K. Gulda, W. Kurcewicz, E. Widmann, and B. A. Brown, Phys. Rev. C 76, 014311 (2007).
- A. Schmidt, T. Gaitanos, A. Obertelli, and J. L. Rodríguez-Sánchez, Eur. Phys. J. A 60, 55 (2024).
- F. P. Gustafsson, D. Pȩcak, and T. Sowiński, Data for “Stability conditions for bound states in antiprotonic atoms”, [Data set], Zenodo (2025), doi: https://doi.org/10.5281/zenodo.15386788.