Exotiska atomer där elektroner ersätts av andra subatomära partiklar med samma laddning tillåter djup insikt i kvantvärlden. Efter åtta års pågående forskning, en grupp ledd av Masaki Hori, seniorfysiker vid Max Planck Institute of Quantum Optics i Garching, Tyskland, har nu lyckats med ett utmanande experiment:I en heliumatom, de ersatte en elektron med en pion i ett specifikt kvanttillstånd och verifierade förekomsten av detta långlivade "pioniska helium" för allra första gången. Den vanligtvis kortlivade pionen kan därigenom existera 1000 gånger längre än den normalt skulle göra i andra materiesorter. Pioner tillhör en viktig familj av partiklar som bestämmer stabiliteten och sönderfallet av atomkärnor. Den pioniska heliumatomen gör det möjligt för forskare att studera pioner på ett extremt exakt sätt med laserspektroskopi. Forskningen publiceras i veckans upplaga av Natur .

I åtta år, gruppen arbetade med detta utmanande experiment, som har potential att etablera ett nytt forskningsområde. Teamet demonstrerade experimentellt för första gången att långlivade pioniska heliumatomer verkligen existerar. "Det är en form av kemisk reaktion som sker automatiskt, "förklarar Hori. Den exotiska atomen förutspåddes först teoretiskt 1964 efter att experiment vid den tiden pekade på dess existens. Men det ansågs extremt svårt att verifiera denna förutsägelse experimentellt. Vanligtvis, i en atom, den extremt kortlivade pionen förfaller snabbt. Dock, i pioniskt helium, den kan bevaras på ett sätt så den lever 1000 gånger längre än den normalt gör i andra atomer.

"Rökpistolen"

Utmaningen som teamet kämpade med i åtta år var att bevisa att en sådan pionisk heliumatom finns i en tank fylld med extremt kallt, överflödigt helium. I heliumatomen, pionen beter sig som en mycket tung elektron. Det kan bara hoppa mellan diskreta kvanttillstånd, som att klättra steg på en stege. Teamet fick hitta ett långlivat tillstånd och ett mycket speciellt kvantsprång som de kunde excitera med en laser och som skulle sparka in pionen i heliumkärnan och förstöra atomen. Sedan kunde laget upptäcka skräpet från kärnans upplösning som en "rökpistol" (se figur). Dock, teoretikerna kunde inte exakt förutse vid vilken ljusvåglängd kvantsprånget skulle inträffa. Så laget fick installera tre komplexa lasersystem, en efter den andra, tills de lyckades.

"Denna framgång öppnar helt nya sätt att undersöka pioner med kvantoptikens metoder, "Säger Hori. Forskarna använde laserspektroskopi, ett av de mest exakta verktygen inom fysik. Pioner i kvanttillstånd kan således studeras med mycket mer precision än någonsin tidigare.

Ett nytt fönster in i kvantkosmos

Pionen tillhör partikelfamiljen i de så kallade mesonerna. Mesoner förmedlar den starka kraften mellan byggstenarna i atomkärnor, neutroner och protoner. Även om protoner med samma elektriska laddning stöter varandra våldsamt, den starkare kärnkraften binder dem samman för att bilda atomkärnan. Utan denna kraft, vår värld skulle inte existera. Mesoner skiljer sig fundamentalt från protoner och neutroner, som var och en består av tre kvarker, medan mesoner består av endast två kvarker.

Experimentet använde den mest kraftfulla pionkällan i världen, ligger på PSI. Eftersom risken för misslyckande var mycket hög och det fanns många misslyckanden på vägen, gruppen behövde långsiktigt stöd från PSI och Max Planck Society (MPG). PSI gav stråltid med pioner, de tekniska grupperna i CERN gav en viktig del av utrustningen, och MPG gav en långsiktig forskningsmiljö. Projektet finansierades med ett ERC -bidrag (European Research Council).

Dr Hori hoppas att hans forskning öppnar ett nytt fönster i kvantkosmos av partiklar och krafter.