奇異原子是指普通原子的一個或多個組分被奇異粒子（如反物質(zhì)粒子）所取代的原子?；谑澜缟献罹_計時器原子鐘的技術(shù)對這些原子進(jìn)行探測，可以尋找它們的性質(zhì)與模型預(yù)測的性質(zhì)之間的任何微小差異，從而打開了物理學(xué)基礎(chǔ)的一扇窗戶。人們對奇異原子的興趣源于這樣一個事實(shí)，即它們通常有助于物理學(xué)中最基本的實(shí)驗(yàn)策略：改變其他復(fù)雜系統(tǒng)中的單個參數(shù)或成分，以觀察其效果。實(shí)際上，這并不像看上去那么簡單。不同的粒子可以有不同的質(zhì)量或電荷，并可能以其他微妙的方式與周圍環(huán)境發(fā)生不同的相互作用，然而這些微妙之處往往增加了奇異原子的價值。
隨著研究奇異原子所需技術(shù)的改進(jìn)，越來越多的科學(xué)家通過研究這些原子探討自然界的基本性質(zhì)。奇異原子作為基礎(chǔ)物理探針的一個重要特點(diǎn)是，它們是具有多個內(nèi)能態(tài)的束縛系統(tǒng)（需要能量將其組成拉開）。因此，這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換可以通過激光光譜學(xué)進(jìn)行研究，激光光譜學(xué)是物理學(xué)工具箱中最精確的測量工具。原子躍遷的研究，特別是氫原子躍遷的研究，是一項(xiàng)持續(xù)了兩個多世紀(jì)的工作。例如，它啟發(fā)了Niels Bohr在二十世紀(jì)早期開創(chuàng)性的原子模型，并推動了量子力學(xué)的許多發(fā)展。
1947年，Cecil Powell和他的同事們發(fā)現(xiàn)了π介子，但在1935年，Hideki Yukawa就首次預(yù)言了π介子的存在。它們屬于被稱為介子的亞原子粒子家族，介子傳遞原子核、中子和質(zhì)子之間的強(qiáng)大作用力。盡管具有相同電荷的質(zhì)子彼此強(qiáng)烈排斥，但較強(qiáng)的核力將它們結(jié)合在一起形成原子核。沒有這種力量，我們的世界就不會存在。介子與質(zhì)子和中子有根本的不同，質(zhì)子和中子都由三個夸克組成，而介子只由兩個夸克組成。π介子是一種短壽命粒子，具有正電性、負(fù)電性和中性等多種形式，是決定原子核穩(wěn)定性和衰變的一類重要粒子。1964年，在當(dāng)時的一些實(shí)驗(yàn)中，人們已經(jīng)從理論上預(yù)言了π介子氦原子的存在。然而，人們認(rèn)為很難通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這一預(yù)測。通常，在一個原子中，壽命極短的π原子衰變得更快。然而，在π介子氦中，它在某種意義上是守恒的，所以它的壽命是其他原子的一千倍。
經(jīng)過八年的持續(xù)研究，來自德國馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所的資深物理學(xué)家Masaki?Hori領(lǐng)導(dǎo)的小組成功地完成了一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的實(shí)驗(yàn)：在氦原子中，他們用一個處于特定量子態(tài)的π介子取代了一個電子，合成了π4He+，并在183760千兆赫茲的近紅外共振頻率下激發(fā)了π-占據(jù)的π4He+軌道的躍遷（n，l）=（17，16）（17，15）。激光引發(fā)電磁串聯(lián)過程，以原子核吸收π-并經(jīng)歷裂變結(jié)束。對產(chǎn)生的中子、質(zhì)子和氘核碎片的探測表明原子中存在激光誘導(dǎo)共振，首次證實(shí)了這種長壽命的“π介子氦”的存在。這項(xiàng)工作使得利用量子光學(xué)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)來研究介子成為可能。這項(xiàng)研究以“Laser spectroscopy of pionic helium atoms”為題發(fā)表Nature上。
研究者利用590MeV環(huán)形回旋加速器提供的帶負(fù)電的π介子，用磁鐵將它們聚焦到含有超流體氦的目標(biāo)上，制備了π介子氦原子。實(shí)驗(yàn)中，氦靶被冷卻到大約2K的低溫，使得一些π介子被捕獲在π介子氦的弱束縛態(tài)，其中π介子離原子核足夠遠(yuǎn)，可以被剩余的電子屏蔽（圖1）。因此，產(chǎn)生的奇異原子保留了納秒級的壽命，這一壽命足以讓激光脈沖激發(fā)出新生的奇異原子。
接下來，為了確認(rèn)這些原子確實(shí)已經(jīng)被創(chuàng)造出來及研究它們?nèi)绾挝展獠⑴c光產(chǎn)生共振，研究人員向目標(biāo)發(fā)射不同頻率的激光，并尋找π介子在其主體原子的不同能級之間進(jìn)行量子躍遷的實(shí)例。經(jīng)過不同激光頻率的反復(fù)試驗(yàn)，他們能夠識別特定的跳躍。據(jù)預(yù)測，這一躍遷將導(dǎo)致氦原子核對π介子的吸收，隨后氦原子核分裂成一個質(zhì)子、一個中子和一個由質(zhì)子和中子組成的復(fù)合粒子。研究者用一系列粒子探測器探測到這些碎片，從而證實(shí)了π介子確實(shí)已經(jīng)發(fā)生躍遷。
π介子躍遷是通過從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中仔細(xì)去除大的“背景”信號來探測的；這個背景與π介子氦的短壽命態(tài)得到裂變產(chǎn)物有關(guān)，或者是由π介子束本身產(chǎn)生的。這使得每小時只有三個躍遷的π介子氦原子發(fā)出信號，或者估計每十億個產(chǎn)生的奇異原子中有三個發(fā)出信號。盡管數(shù)量極低，但激光誘導(dǎo)的躍遷信號仍能被清楚地探測到，并且可以以大約5位有效數(shù)字的絕對精度來確定發(fā)生躍遷的激光頻率（以及與躍遷能量變化相對應(yīng)的頻率）。
“對含有介子的奇異原子的激光光譜測量可用于高精度地確定組成介子的質(zhì)量和其他性質(zhì)，并對涉及介子的可能的新力做出限制?！盡asaki Hori博士在接受采訪時表示：“對于我們研究中使用的介子，即最輕的介子之一，我們也許最終能夠以高于一億分之一的精度確定它的質(zhì)量。”“這將比迄今為止所達(dá)到的精度高出100倍，并將允許與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測進(jìn)行精確比較?！?/p>
八年來，該小組致力于這項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)將有可能建立一個新的研究領(lǐng)域。這是一場科學(xué)馬拉松，由馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所、瑞士保羅謝勒研究所（PSI）和歐洲粒子物理實(shí)驗(yàn)室CERN之間的國際合作促成。實(shí)驗(yàn)使用了世界上最強(qiáng)大的位于PSI的π介子源。由于實(shí)驗(yàn)失敗的風(fēng)險非常高，實(shí)驗(yàn)過程遇到了很多失敗，該小組得到了PSI和馬克斯普朗克協(xié)會（MPG）的長期支持。PSI為π介子提供了束流時間，CERN的技術(shù)組提供了設(shè)備的重要組成部分，MPG提供了長期研究的有利環(huán)境。該項(xiàng)目由歐洲研究理事會（ERC）資助。
下一步，研究者的目標(biāo)是提高識別躍遷的精度，并搜索其他躍遷，以期利用它們測量π介子的質(zhì)量并測試標(biāo)準(zhǔn)模型。
“這一成功為采用量子光學(xué)方法研究π介子開辟了全新的途徑，”Hori博士高興地說。
參考來源：
https://www.mpq.mpg.de/en/2020-05-pionic-helium
http://www.sci-news.com/physics/pionic-helium-08423.html
