Я уже писал об экзотических атомах, когда описывал интересный атом гелия, в котором один из электронов заменен антипротоном. В пионном гелии электрон замещается другой частицей, отрицательным пионом.
Такой вид гелия был теоретически предсказан в 1964 году, но до последнего времени его не удавалось обнаружить экспериментально. И нельзя сказать, что не пытались, т.к. пионный гелий представляет особый интерес для ученых по целому ряду причин. Во-первых, отрицательный пион тяжелее электрона, а потому, в силу такой асимметрии, когда все субатомные частицы обладают различной массой, энергетический спектр пионного гелия значительно сложнее спектра обычного гелия. И изучение особенностей такого спектра позволит улучшить наше понимание атомной физики. Во-вторых, синтез пионного гелия имел бы значительные последствия и для ядерной физики.
Дело в том, что обычно короткоживущий пион, будучи в пионном гелии, может довольно долго не распадаться из-за взаимодействия с электроном и атомным ядром. Причем долго – это действительно долго, время жизни пиона в атоме увеличивается в 1000 раз.
Почему же это так интересно ядерным физикам? Пионы принадлежат к важному семейству субатомных частиц, свойства которых характеризуют как стабильность, так и способы распада атомных ядер. И поэтому долгоживущий пионный атом гелия позволил бы ученым с высокой точностью определить свойства пионов, а значит, улучшить точность при расчетах распадов атомных ядер.
И вот группа ученых из Института квантовой оптики им. Макса Планка задалась целью доказать, что пионный гелий существует. И после восьми лет исследований им это удалось.
Теория предсказывала, что атомы пионного гелия могут образоваться, когда в охлажденный до сверхтекучести обычный гелий попадает поток пионов. При этом ученые хорошо умеют охлаждать гелий до сверхтекучести, создавать поток пионов – тоже. И вроде бы ничто не препятствует синтезу пионного гелия, кроме одной проблемы. Не было способа понять, синтезировался ли пионный гелий. Ученые просто не знали, как различить нужные атомы среди обычного гелия.
В экзотическом атоме гелия пион ведет себя подобно электрону, но отличие его массы от электронной ведет к изменению значений атомарных уровней энергии. Если бы ученые нашли значение энергии основного состояния пионного гелия, то они смогли бы облучить весь гелий лазерным лучом с соответствующей длиной волной, что вызвало бы разрушение атомов пионного гелия. Если бы после облучения лазером такие атомные обломки нашлись, то это означало бы, что пионный гелий удалось синтезировать. Проблема в том, что для систем сложнее атома водорода невозможно провести абсолютно точные вычисления, а следовательно, значения энергии атомных уровней пионного гелия можно рассчитать только приблизительно. И по этой причине ученым нужно было перекрыть диапазон энергий, из-за чего пришлось трижды собирать сложные лазерные установки, пока они не добились успеха.
В итоге ученым удалось подтвердить существование пионного гелия и создать еще одну хорошую площадку для исследований в области атомной физики, и отличную площадку для точных исследований свойств и характеристик пионов, что имеет большое значение для ядерной физики. И попутно разработать новые методики в лазерной спектроскопии. Плюсы со всех сторон.
Мне важно Ваше мнение. Если нравится, ставьте лайк, подписывайтесь.
