奇異原子是指普通原子的一個(gè)或多個(gè)組分被奇異粒子（如反物質(zhì)粒子）所取代的原子。基于世界上最精確計(jì)時(shí)器原子鐘的技術(shù)對(duì)這些原子進(jìn)行探測(cè)，可以尋找它們的性質(zhì)與模型預(yù)測(cè)的性質(zhì)之間的任何微小差異，從而打開(kāi)了物理學(xué)基礎(chǔ)的一扇窗戶。人們對(duì)奇異原子的興趣源于這樣一個(gè)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(gè)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(jiǎn)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?chē)h(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(jià)值。
隨著研究奇異原子所需技術(shù)的改進(jìn)，越來(lái)越多的科學(xué)家通過(guò)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(gè)重要特點(diǎn)是，它們是具有多個(gè)內(nèi)能態(tài)的束縛系統(tǒng)（需要能量將其組成拉開(kāi)）。因此，這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換可以通過(guò)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(cè)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(gè)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(kāi)創(chuàng)性的原子模型，并推動(dòng)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(méi)有這種力量，我們的世界就不會(huì)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(gè)夸克組成，而介子只由兩個(gè)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(shí)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(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這一預(yù)測(cè)。通常，在一個(gè)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(guò)八年的持續(xù)研究，來(lái)自德國(guó)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(gè)處于特定量子態(tài)的π介子取代了一個(gè)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(guò)程，以原子核吸收π-并經(jīng)歷裂變結(jié)束。對(duì)產(chǎn)生的中子、質(zhì)子和氘核碎片的探測(cè)表明原子中存在激光誘導(dǎo)共振，首次證實(shí)了這種長(zhǎng)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(lái)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(jí)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(lái)，為了確認(rèn)這些原子確實(shí)已經(jīng)被創(chuàng)造出來(lái)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(jí)之間進(jìn)行量子躍遷的實(shí)例。經(jīng)過(guò)不同激光頻率的反復(fù)試驗(yàn)，他們能夠識(shí)別特定的跳躍。據(jù)預(yù)測(cè)，這一躍遷將導(dǎo)致氦原子核對(duì)π介子的吸收，隨后氦原子核分裂成一個(gè)質(zhì)子、一個(gè)中子和一個(gè)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(cè)器探測(cè)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(guò)從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中仔細(xì)去除大的“背景”信號(hào)來(lái)探測(cè)的；這個(gè)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(shí)只有三個(gè)躍遷的π介子氦原子發(fā)出信號(hào)，或者估計(jì)每十億個(gè)產(chǎn)生的奇異原子中有三個(gè)發(fā)出信號(hào)。盡管數(shù)量極低，但激光誘導(dǎo)的躍遷信號(hào)仍能被清楚地探測(cè)到，并且可以以大約5位有效數(shù)字的絕對(duì)精度來(lái)確定發(fā)生躍遷的激光頻率（以及與躍遷能量變化相對(duì)應(yīng)的頻率）。
“對(duì)含有介子的奇異原子的激光光譜測(cè)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(duì)涉及介子的可能的新力做出限制。”Masaki Hori博士在接受采訪時(shí)表示：“對(duì)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?！薄斑@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(cè)進(jìn)行精確比較。”
八年來(lái)，該小組致力于這項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)將有可能建立一個(gè)新的研究領(lǐng)域。這是一場(chǎng)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(guó)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(xiǎn)非常高，實(shí)驗(yàn)過(guò)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(huì)（MPG）的長(zhǎng)期支持。PSI為π介子提供了束流時(shí)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(zhǎng)期研究的有利環(huán)境。該項(xiàng)目由歐洲研究理事會(huì)（ERC）資助。
下一步，研究者的目標(biāo)是提高識(shí)別躍遷的精度，并搜索其他躍遷，以期利用它們測(cè)量π介子的質(zhì)量并測(cè)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(kāi)辟了全新的途徑，”Hori博士高興地說(shuō)。
參考來(lái)源：
https://www.mpq.mpg.de/en/2020-05-pionic-helium
http://www.sci-news.com/physics/pionic-helium-08423.html
