Exotische atomen waarin elektronen worden vervangen door andere subatomaire deeltjes van dezelfde lading, geven diepgaande inzichten in de kwantumwereld. Na acht jaar lopend onderzoek, een groep onder leiding van Masaki Hori, senior natuurkundige aan het Max Planck Instituut voor Quantum Optica in Garching, Duitsland, is nu geslaagd in een uitdagend experiment:in een heliumatoom, ze vervingen een elektron door een pion in een specifieke kwantumtoestand en verifieerden voor de allereerste keer het bestaan ​​van dit langlevende "pionisch helium". De gewoonlijk kortlevende pion zou daardoor 1000 keer langer kunnen bestaan ​​dan normaal in andere soorten materie. Pionen behoren tot een belangrijke familie van deeltjes die de stabiliteit en het verval van atoomkernen bepalen. Het pionische heliumatoom stelt wetenschappers in staat om pionen uiterst nauwkeurig te bestuderen met behulp van laserspectroscopie. Het onderzoek is deze week gepubliceerd in de editie van Natuur .

Acht jaar lang, de groep werkte aan dit uitdagende experiment, die het potentieel heeft om een ​​nieuw onderzoeksgebied op te zetten. Het team toonde voor het eerst experimenteel aan dat langlevende pionische heliumatomen echt bestaan. "Het is een vorm van chemische reactie die automatisch plaatsvindt, ", legt Hori uit. Het exotische atoom werd voor het eerst theoretisch voorspeld in 1964 nadat experimenten in die tijd op zijn bestaan ​​wezen. het werd als buitengewoon moeilijk beschouwd om deze voorspelling experimenteel te verifiëren. Gebruikelijk, in een atoom, de extreem kortlevende pion vergaat snel. Echter, in pionisch helium, het kan in zekere zin worden geconserveerd, zodat het 1000 keer langer leeft dan normaal in andere atomen.

Het "rokende pistool"

De uitdaging waar het team acht jaar mee worstelde, was bewijzen dat zo'n pionisch heliumatoom bestaat in een tank gevuld met extreem koude, supervloeibaar helium. In het heliumatoom, het pion gedraagt ​​zich als een heel zwaar elektron. Het kan alleen tussen discrete kwantumtoestanden springen, zoals het beklimmen van een trap op een ladder. Het team moest een langlevende staat en een heel speciale kwantumsprong vinden die ze met een laser konden opwekken en die het pion in de heliumkern zou schoppen en het atoom zou vernietigen. Vervolgens kon het team het puin van het uiteenvallen van de kern detecteren als een "rokend geweer" (zie afbeelding). Echter, de theoretici konden niet precies voorspellen bij welke lichtgolflengte de kwantumsprong zou plaatsvinden. Het team moest dus drie complexe lasersystemen installeren, de een na de ander, totdat ze succes hadden.

"Dit succes opent volledig nieuwe manieren om pionen te onderzoeken met de methoden van kwantumoptica, " zegt Hori. De onderzoekers gebruikten laserspectroscopie, een van de meest nauwkeurige instrumenten in de natuurkunde. Pionen in kwantumtoestanden kunnen dus met veel meer precisie dan ooit tevoren worden bestudeerd.

Een nieuw venster in de kwantumkosmos

De pion behoort tot de deeltjesfamilie van de zogenaamde mesonen. Mesonen bemiddelen de sterke kracht tussen de bouwstenen van atoomkernen, neutronen en protonen. Hoewel protonen met dezelfde elektrische lading elkaar heftig afstoten, de sterkere kernkracht bindt ze samen om de atoomkern te vormen. Zonder deze kracht onze wereld zou niet bestaan. Mesonen verschillen fundamenteel van protonen en neutronen, die elk bestaan ​​uit drie quarks, terwijl mesonen uit slechts twee quarks bestaan.

Het experiment gebruikte de krachtigste pionbron ter wereld, gevestigd bij PSI. Omdat het risico op mislukking erg groot was en er onderweg talloze mislukkingen waren, de groep had langdurige steun nodig van PSI en de Max Planck Society (MPG). De PSI voorzag straaltijd van pionen, de technische groepen van CERN zorgden voor een belangrijk deel van de uitrusting, en de MPG zorgde voor een langdurige onderzoeksomgeving. Het project werd gefinancierd door een ERC-subsidie ​​(European Research Council).

Dr. Hori hoopt dat zijn onderzoek een nieuw venster opent in de kwantumkosmos van deeltjes en krachten.