Не так давно, после исследований, продолжавшихся почти восемь лет, группе ученых из института Квантовой оптики Макса Планка, Германия, впервые удалось получить стабильные и долгоживущие атомы экзотической материи, так называемого “пионного” гелия, атома гелия, в котором один из электронов был заменен субатомной частицей – пионом, находящимся в определенном квантовом состоянии. В таком виде пион может существовать в тысячу раз дольше, чем он существует в составе других видов материи, и это дает ученым возможность более тщательно изучить эту частицу, которая играет важную роль в деле обеспечения стабильности и распада ядер атомов, используя метод высокоточной лазерной спектроскопии.
Отметим, что пионы относятся к семейству частиц, называемых мезонами. Именно мезоны несут ответственность за возникновение сильных взаимодействий между “стандартными блоками” атомных ядер, нейтронами и протонами. Протоны, обладающие одинаковым электрическим зарядом, отталкиваются друг от друга в обычных условиях, и лишь силы сильных ядерных взаимодействий способны связать и удержать их в пределах ядра атома. Мезоны, состоящие из двух кварков, существенно отличаются по структуре от протонов и нейтронов, которые состоят из трех кварков.
Возможность существования экзотических атомов “пионного” гелия была теоретически предсказана еще в 1964 году, но до последнего времени еще никому из ученых не удавалось получить такие атомы экспериментальным путем. И теперь, благодаря работе германских исследователей, у ученых всего мира появилась совершенно новая область для дальнейших исследований.
В течение восьми лет немецкие ученые пытались найти доказательства существования атомов “пионного” гелия. Для этого они использовали бак, заполненный охлажденным гелием, находящимся в жидком сверхтекучем состоянии. Основная сложность, которая повлекла за собой большую длительность экспериментов, заключалась в поиске длины волны лазерного света, при котором “получивший пинок” пион выбивает электрон из возбужденного атома гелия и занимает его место. Естественно, что такие атомы существуют какое-то время и распадаются, и именно эти “обломки” атомов стали доказательством существования экзотических атомов “пионного” гелия.
Ученые-теоретики, несмотря на массу исследований в данном направлении, так и не смогли просчитать длину волны света, при воздействии которого атомы гелия перейдут в одно из стабильных возбужденных состояний, а пион совершит “квантовый скачек” определенного типа, заменив собой электрон. Поэтому ученые использовали одну за другой три сложные лазерные системы, пока не нашли нужную длину волны путем простого перебора.
В данном эксперименте использовался самый мощный в мире источник пионов, находящийся в распоряжении исследовательской организации PSI, а достаточно большая часть использованного оборудования была разработана и изготовлена техническими группами Европейской организации ядерных исследований CERN. Организационная поддержка данного проекта оказывалась со стороны PSI и Общества Макса Планка, а финансирование в виде гранта, было предоставлено Европейским исследовательским советом.