Фізики вперше експериментально підтвердили і досліджували екзотичний метастабільний атом - систему, що складається з піону, електрону та ядра гелію. Подальше вивчення цього об'єкта дозволить багаторазово збільшити точність визначення мас елементарних частинок і перевірити Стандартну модель. Стаття опублікована в журналі.
Екзотичні атоми - це особливі квантовомеханічні системи з електромагнітним зв'язком. Якщо в звичайних атомах носіями заряду є електрони і протони, то в екзотичних їх замінюють інші елементарні частинки. Як правило, такі об'єкти руйнуються за долі секунди, тому спостерігати за системою і проводити вимірювання надзвичайно складно. Водночас дані, які можуть надати екзотичні атоми, мають велику значимість для фізики. Зокрема, вони дозволяють визначати маси частинок у багато разів точніше, ніж це можливо в інших експериментах, а також фіксувати і вивчати явища, які виходять за рамки Стандартної моделі.
Одним з можливих типів екзотичних атомів є мезонні атоми. У таких системах один з електронів замінюється на негативно заряджений мезон - в сотні разів більш важку частинку, яка складається з кварку і антикварку. Зазвичай час життя мезонного атома не перевищує 10-12 секунди, проте відомі і більш стійкі представники цього класу. Серед таких довгожителів вчені виділяють ^ 4He + - систему з піону, електрону та ядра гелію. Завдяки квантовим законам цей об'єкт руйнується тільки на масштабі наносекунд - тобто є в тисячу разів більш стабільним, ніж звичайні мезонні атоми. Ця особливість дозволяє дослідникам встигнути провести вимірювання і отримати необхідну інформацію. Тим не менш, до недавнього часу об'єкт існував тільки на папері - надійно виявити його на практиці нікому не вдавалося.
Група дослідників з Німеччини та Швейцарії під керівництвом Масакі Хорі (Masaki Hori) з Інституту квантової оптики Товариства Макса Планка вперше експериментально підтвердила освіту ^ 4He +. Для цього фізики використовували найпотужніше у світі джерело піонів і мішень з охолодженого надплинного гелію. Обладнання виготовили в Європейській організації з ядерних досліджень (CERN) і доставили в Інститут Пауля Шеррера спеціально для проведення досвіду.
Піони в експерименті виникали при опроміненні графіту прискореними протонами - такий спосіб дозволив формувати десятки мільйонів частинок в секунду. Потім вони прямували в бік мішені за допомогою системи магнітів, а спеціальний фільтр відсівав зі сформованого пучка зайві компоненти - мюони і електрони. Нарешті піони, які долетіли до мішені, частково стикалися з її атомами і утворювали ^ 4He +. Для виявлення останнього вчені направили на гелій пучок лазера - відсутність бульбашок у надплинній речовині дозволила йому досягати екзотичних атомів майже без розсіювання. Фізики підібрали частоту випромінювання так, щоб енергія фотонів збіглася з енергією стрибкоподібного переходу ^ 4He + в збуджений стан. В результаті такого переходу екзотичний атом втрачає стабільність, і ядро гелію поглинає піон, після чого розпадається на частини, які розлітаються в протилежних напрямках. Дослідники змогли зареєструвати ці осколки на спеціальних детекторах, також виготовлених в CERN, і, таким чином, підтвердити виявлення ^ 4He +.
Крім того, авторам вдалося визначити частоту резонансного переходу, який призводив до руйнування екзотичного атома, проте вимірене значення не збіглося з теоретично передбаченим. Вчені пояснюють це зіткненнями атомів, які призводять до обурення енергетичних рівнів і зміщують резонансну частоту: з таким ефектом фізики вже стикалися раніше. Дослідники відзначають, що коли їм вдасться внести поправку на це зміщення, дані експерименту дозволять визначити масу піону з точністю до 10-8 - в сто разів більше, ніж вдавалося досі. Це породжує нові можливості для перевірки і коригування теоретичних прогнозів.
Раніше ми розповідали про те, як Стандартна модель впоралася з описом рідкісного розпаду D-мезону і як в CERN вирішили відмовитися від використання програмного забезпечення Microsoft.