Физики поместили пион в атом гелия

Исследователи из Института квантовой оптики Общества Макса Планка смогли заменить электрон в атоме гелия на отрицательный пион — субатомную частицу, состоящую из двух кварков и имеющую нулевой спин. Создание такого атома позволяет проводить исследование квантовых состояний пионов с невероятной точностью, используя лазерную спектроскопию. О своей работе ученые рассказали в журнале Nature.

Над этим экспериментом, который может создать новую область исследований, группа работала в течение восьми лет. Задача, с которой пытались справиться физики, состояла в том, чтобы доказать, что такой «пионный» атом гелия может существовать в резервуаре, заполненном охлажденным до двух градусов кельвина сверхтекучим гелием-4.

В атоме гелия пион ведет себя как очень тяжелый электрон — может перемещаться только между определенными уровнями энергии. Авторы исследования пытались найти самое долгоживущее состояние, а затем с помощью лазера возбудить систему так, чтобы пион ударил в атомное ядро и уничтожил его. Ученым удалось поддерживать стабильность системы максимум 22 наносекунды, но и этого было достаточно, чтобы получить необходимые данные.

Исследуя то, что осталось после уничтожения гелия-4, ученые пытались найти следы перехода пиона между двумя квантовыми состояниями. Однако ученые не могли точно предсказать, на какой длине волны света произойдет этот переход. Чтобы сделать это, авторам пришлось создать три разные системы, в которых пион находился на разных энергетических уровнях и совершал различные переходы при нарушении стабильности системы.

В конце концов авторам удалось установить, что из метастабильного состояния, длившегося 22 наносекунды, «пионный» атом переходит сначала в короткоживущее состояние со временем жизни в 4,8 пикосекунды, а затем становится ионом π⁴He²⁺ (где π — пион). Резонансная частота первого перехода, за которым и охотились исследователи, составила 183,760 ГГц.

Для проведения измерений ученые использовали лазерную спектроскопию — один из самых точных методов анализа в физике. Это позволило измерить квантовые состояния пионов с самой высокой на сегодняшний день точностью.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.