Egy új egzotikus atomot hoztak létre kutatók

A mezont tartalmazó pionos hélium atom létrehozásáról és spektroszkópiai méréseiről a Nature tudományos folyóiratban megjelent tanulmányukban számoltak be a kutatók.

A CERN, a világ legnagyobb részecskegyorsítója mellett, 1999 óta üzemben tart és folyamatosan fejleszt egy Antianyaggyárnak nevezett mérőrendszert. Ott sikerült először antianyag atomokat, azaz a proton antirészecskéit, antiprotonokat tartalmazó atomokat előállítani, csapdában tartani és a közönséges anyaggal összehasonlítva pontos spektroszkópiai méréseket végezni rajtuk.
Az Antianyaggyár egyik kísérlete az ASACUSA nevű együttműködés, amelynek alapításában magyar csoport is részt vett a Wigner Fizikai Kutatóközpontból és a debreceni Atommagkutató Intézetből, de a japán dominancia mellett osztrák, német és olasz kutatócsoportok is közreműködnek benne – olvasható Horváth Dezső Széchenyi-díjas professor emeritus, az Eötvös Loránd Kutatási Hálózathoz tartozó Wigner Fizikai Kutatóközpont kutatójának írásában a wigner.hu oldalon.

A két évtizede zajló mérést egy meglehetősen hosszú élettartamú egzotikus atomon végezték, amely három részecskéből: hélium atommagból, elektronból és antiprotonból áll, azaz a hélium egyik elektronját helyettesítették negatív töltésű antiprotonnal. Az abszolút nulla hőmérséklethez igen közelre hűtött atomban finoman hangolható lézerrel léptették az antiprotont viszonylag stabil és bomlékony állapotok között. A kísérlet csaknem 20 évig fejlődött, amíg sikerült a végső lehetséges pontosságot elérni.

A vizsgálat menete: Piont juttatnak hélium atomba, ahol az helyettesíti az egyik elektront. A pionos héliumatomot lézerrel gerjesztve a piont az atommag elnyeli és alkatrészeire hasad.

Forrás: ASACUSA collaboration of CERN

Újabban felmerült az ötlet megnézni, vajon elő lehet-e állítani az antiprotonos héliumhoz hasonló új egzotikus atomot negatív pi-mezonok, pionok segítségével. Ennek jeleit már korábban látták Japánban, de ott nem volt elegendő pion, hogy kimutassák az új atomot. Az ASACUSA kísérlet ezen ágának vezetője, Hori Maszaki (angolul Masaki Hori) megszervezte a mérőberendezés megépítését a CERN-ben és  átszállítását a Zürich közelében fekvő Paul Scherrer Intézetbe (PSI), ahol a világ legnagyobb kapacitású pionforrása („mezongyára”) működik. A kísérlet célja az antiprotonoshoz hasonlóan a pion tömegének a korábbinál sokkal pontosabb mérése. A fő nehézség a pion rövid élettartama: az ugyanis, a stabil antiprotonnal ellentétben, 26 ns (azaz 26 x 10^-9 másodperc) alatt elbomlik. A kísérlethez a negatív pionokat mágneses mezővel olyan céltárgyba vezették, amely az abszolút nulla hőmérséklet közeléig hűtött, szuperfolyékony állapotba került héliumot tartalmazott.
Ezt a technikát Hori csoportja a CERN-ben dolgozta ki antiprotonokra, az atommagbomlást észlelő mérőberendezéssel együtt. A pionos héliumatom keletkezését a PSI pionnyalábjánál hangolható lézer segítségével sikerült észlelni: egy bizonyos frekvenciánál a pion rezonanciaszerűen elnyelődött a hélium-atommagban, és azt felrobbantotta, maghasadáshoz hasonlóan kisebb alkatrészekre bontotta. A kísérlet a héliumatommagból kiszabadult protont, neutront és deuteront (proton és neutron kötött állapotát) észlelte.

A kutatók célja most az észlelt lézerátmenet mérését pontosítani a pion tömegének meghatározására. Számításaik szerint a jelenlegi pontosság ezzel a módszerrel mintegy százszorosára növelhető, és ez érzékeny ellenőrzése lehet a részecskefizika elméletének, a Standard Modellnek.