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长寿命的离子氦-首次通过实验验证的外来物质

长寿命的离子氦-首次通过实验验证的外来物质

电子被其他具有相同电荷的亚原子粒子所取代的奇异原子,让我们得以深入了解量子世界。After eight years of ongoing research, a group led by Masaki Hori, senior physicist at the Max Planck Institute of Quantum Optics in Garching, Germany, has now succeeded in a challenging experiment: In a helium atom, they replaced an electron with a pion in a specific quantum state and verified the existence of this long-lived "pionic helium" for the very first time. 因此,通常寿命较短的介子可能比其它物质的正常存在时间长1000倍。介子是决定原子核稳定性和衰变的重要粒子家族之一。离子氦原子使科学家能够使用激光光谱学以极其精确的方式研究离子。这项研究发表在本周的《自然》杂志上。

8年来,这个小组一直致力于这个具有挑战性的实验,它有可能建立一个新的研究领域。该团队首次通过实验证明了长寿命的离子氦原子确实存在。“这是一种自动发生的化学反应,”Hori解释说。这个奇特的原子在1964年第一次在理论上被预测,当时的实验指出了它的存在。然而,这被认为是非常困难的验证这个预测的实验。通常,在一个原子中,寿命极短的介子衰变得很快。然而,在离子氦中,它在某种意义上是守恒的,所以它的寿命是其他原子的1000倍。

“确凿证据”

这个团队奋斗了8年的挑战是证明这样一个离子氦原子存在于一个充满极冷的超流氦的容器中。在氦原子中,介子表现得像一个非常重的电子。它只能在离散的量子态之间跳跃,就像爬梯子一样。这个团队必须找到一个长期存在的状态和一个非常特殊的量子跃迁,他们可以用激光激发这个跃迁,然后把这个介子踢进氦原子核,摧毁这个原子。然后,研究小组可以探测到核分裂的碎片,这是一个确凿的证据(见图)。然而,理论家们不能准确地预测量子跃迁将发生在哪个波长。所以这个团队不得不安装三个复杂的激光系统,一个接一个,直到他们成功。

“这一成功开辟了用量子光学方法研究介子的全新途径,”Hori说。研究人员使用了激光光谱学,这是物理学中最精确的工具之一。因此,我们可以比以往任何时候都更精确地研究处于量子态的介子。

量子宇宙的新窗口

介子属于所谓介子的粒子家族。介子在原子核、中子和质子的构成单元之间传递强大的力。尽管带有相同电荷的质子相互间会产生强烈的排斥,但更强的核力会使它们结合在一起形成原子核。没有这种力量,我们的世界就不会存在。介子从根本上不同于质子和中子,质子和中子各由三个夸克组成,而介子只由两个夸克组成。

这个实验使用了世界上最强大的介子源,位于PSI。由于失败的风险非常高,而且一路上失败了很多次,这个小组需要PSI和Max Planck Society (MPG)的长期支持。PSI提供了粒子束时间,CERN的技术团队提供了设备的一个重要部分,MPG提供了一个长期的研究环境。该项目由欧洲研究委员会(ERC)资助。

Hori博士希望他的研究能为粒子和力的量子宇宙打开一扇新的窗户。

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