Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Электрон в атоме гелия заменили на пион

Masaki Hori et al. / Nature, 2020

Физики впервые экспериментально подтвердили и исследовали экзотический метастабильный атом — систему, состоящую из пиона, электрона и ядра гелия. Дальнейшее изучение этого объекта позволит многократно увеличить точность определения масс элементарных частиц и проверить Стандартную модель. Статья опубликована в журнале Nature.

Экзотические атомы — это особые квантовомеханические системы с электромагнитной связью. Если в обычных атомах носителями заряда являются электроны и протоны, то в экзотических их заменяют другие элементарные частицы. Как правило, такие объекты разрушаются за доли секунды, поэтому наблюдать за системой и проводить измерения чрезвычайно сложно. В то же время данные, которые могут предоставить экзотические атомы, имеют большую значимость для физики. В частности, они позволяют определять массы частиц во много раз точнее, чем это возможно в других экспериментах, а также фиксировать и изучать явления, которые выходят за рамки Стандартной модели.

Одним из возможных типов экзотических атомов являются мезонные атомы. В таких системах один из электронов заменяется на отрицательно заряженный мезон — в сотни раз более тяжелую частицу, которая состоит из кварка и антикварка. Обычно время жизни мезонного атома не превышает 10-12 секунды, однако известны и более устойчивые представители этого класса. Среди таких долгожителей ученые выделяют π4He+ — систему из пиона, электрона и ядра гелия. Благодаря квантовым законам этот объект разрушается только на масштабе наносекунд — то есть является в тысячу раз более стабильным, чем обычные мезонные атомы. Эта особенность позволяет исследователям успеть провести измерения и получить необходимую информацию. Тем не менее, до недавнего времени объект существовал только на бумаге — надежно обнаружить его на практике никому не удавалось.

Группа исследователей из Германии и Швейцарии под руководством Масаки Хори (Masaki Hori) из Института квантовой оптики Общества Макса Планка впервые экспериментально подтвердила образование π4He+. Для этого физики использовали самый мощный в мире источник пионов и мишень из охлажденного сверхтекучего гелия. Оборудование изготовили в Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN) и доставили в Институт Пауля Шеррера специально для проведения опыта.

Пионы в эксперименте возникали при облучении графита ускоренными протонами — такой способ позволил формировать десятки миллионов частиц в секунду. Затем они направлялись в сторону мишени при помощи системы магнитов, а специальный фильтр отсеивал из сформированного пучка лишние компоненты — мюоны и электроны. Наконец пионы, которые долетели до мишени, частично сталкивались с ее атомами и образовывали π4He+. Для обнаружения последнего ученые направили на гелий пучок лазера — отсутствие пузырьков в сверхтекучем веществе позволило ему достигать экзотических атомов почти без рассеяния. Физики подобрали частоту излучения так, чтобы энергия фотонов совпала с энергией скачкообразного перехода π4He+ в возбужденное состояние. В результате такого перехода экзотический атом теряет стабильность, и ядро гелия поглощает пион, после чего распадается на части, которые разлетаются в противоположных направлениях. Исследователи смогли зарегистрировать эти осколки на специальных детекторах, также изготовленных в CERN, и, таким образом, подтвердить обнаружение π4He+.

Кроме того, авторам удалось определить частоту резонансного перехода, который приводил к разрушению экзотического атома, однако измеренное значение не совпало с теоретически предсказанным. Ученые объясняют это столкновениями атомов, которые приводят к возмущению энергетических уровней и смещают резонансную частоту: с таким эффектом физики уже сталкивались ранее. Исследователи отмечают, что когда им удастся внести поправку на это смещение, данные эксперимента позволят определить массу пиона с точностью до 10-8 — в сто раз больше, чем удавалось до сих пор. Это порождает новые возможности для проверки и корректирования теоретических прогнозов.

Ранее мы рассказывали о том, как Стандартная модель справилась с описанием редкого распада D-мезона и как в CERN решили отказаться от использования программного обеспечения Microsoft.

Николай Мартыненко

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.