Langlivet pionisk helium:Eksotisk stof blev eksperimentelt verificeret for første gang

Eksotiske atomer, hvor elektroner erstattes af andre subatomære partikler af den samme ladning tillader dyb indsigt i kvanteverdenen. Efter otte års igangværende forskning, en gruppe ledet af Masaki Hori, seniorfysiker ved Max Planck Institute of Quantum Optics i Garching, Tyskland, er nu lykkedes i et udfordrende eksperiment:I et heliumatom, de erstattede en elektron med en pion i en bestemt kvantetilstand og verificerede eksistensen af ​​dette langlivede "pioniske helium" for allerførste gang. Den normalt kortvarige pion kunne derved eksistere 1000 gange længere, end den normalt ville gøre i andre stofsorter. Pioner tilhører en vigtig familie af partikler, der bestemmer stabiliteten og forfaldet af atomkerner. Det pioniske heliumatom gør det muligt for forskere at studere pioner på en ekstremt præcis måde ved hjælp af laserspektroskopi. Forskningen er offentliggjort i denne uges udgave af Natur .

I otte år, gruppen arbejdede på dette udfordrende eksperiment, som har potentiale til at etablere et nyt forskningsfelt. Teamet demonstrerede eksperimentelt for første gang, at pioniske heliumatomer med lang levetid virkelig eksisterer. "Det er en form for kemisk reaktion, der sker automatisk, "forklarer Hori. Det eksotiske atom blev først teoretisk forudsagt i 1964 efter forsøg på det tidspunkt pegede på dets eksistens. Men det blev anset for ekstremt svært at verificere denne forudsigelse eksperimentelt. Som regel, i et atom, den ekstremt kortvarige pion henfalder hurtigt. Imidlertid, i pionisk helium, det kan bevares på en måde, så det lever 1000 gange længere end det normalt gør i andre atomer.

Den "rygende pistol"

Den udfordring, holdet kæmpede med i otte år, var at bevise, at et sådant pionisk heliumatom findes i en tank fyldt med ekstremt kold, superflydende helium. I heliumatomet, pionen opfører sig som en meget tung elektron. Det kan kun springe mellem diskrete kvantetilstande, som at klatre trin på en stige. Holdet måtte finde en lang levetid og et helt specielt kvantespring, som de kunne ophidse med en laser, og som ville sparke pionen ind i heliumkernen og ødelægge atomet. Derefter kunne teamet opdage vragresterne fra kernens opdeling som en "rygende pistol" (se figur). Imidlertid, teoretikerne kunne ikke ligefrem forudsige ved hvilken lysbølgelængde kvantespringet ville forekomme. Så teamet skulle installere tre komplekse lasersystemer, den ene efter den anden, indtil de havde succes.

"Denne succes åbner op for helt nye måder at undersøge pioner på med metoder til kvanteoptik, "Siger Hori. Forskerne brugte laserspektroskopi, et af de mest præcise værktøjer i fysik. Pioner i kvantetilstande kan således studeres med meget mere præcision end nogensinde før.

Et nyt vindue ind i kvantekosmos

Pionen tilhører partikelfamilien i de såkaldte mesoner. Mesoner formidler den stærke kraft mellem atomkernens byggesten, neutroner og protoner. Selvom protoner med den samme elektriske ladning afviser hinanden voldsomt, den stærkere atomkraft binder dem sammen for at danne atomkernen. Uden denne kraft, vores verden ville ikke eksistere. Mesoner er fundamentalt forskellige fra protoner og neutroner, som hver består af tre kvarker, der henviser til, at mesoner kun består af to kvarker.

Eksperimentet brugte den mest kraftfulde pionkilde i verden, placeret på PSI. Da risikoen for fiasko var meget høj, og der var mange fejl undervejs, gruppen havde brug for langsigtet støtte fra PSI og Max Planck Society (MPG). PSI leverede stråletid med pioner, de tekniske grupper i CERN leverede en vigtig del af udstyret, og MPG leverede et langsigtet miljø, der muliggjorde forskning. Projektet blev finansieret af et ERC -tilskud (European Research Council).

Dr. Hori håber, at hans forskning åbner et nyt vindue ind i kvantekosmos for partikler og kræfter.