Η διέγερση ενός εξωτικού ατόμου

Posted on 14/05/2020

0


Για πρώτη φορά διεγέρθηκε ένα «πιονικό άτομο» ηλίου από το φως ενός λέιζερ. Το επίτευγμα δημιουργεί μια πολλά υποσχόμενη πειραματική τεχνική για τη διερεύνηση της θεμελιώδους φυσικής.

Ένα πιόνιο αντικαθιστά το ένα από τα δυο ηλεκτρόνια του ατόμου του ηλίου σχηματίζοντας το «πιονικό ήλιο» (Image credit: ASACUSA Collaboration, CERN)

Τα εξωτικά άτομα προκύπτουν όταν ένα ή περισσότερα συστατικά ενός κανονικού ατόμου αντικατασταθεί με ένα εξωτικό σωματίδιο, όπως ένα σωματίδιο αντιύλης. Αυτά τα άτομα στη συνέχεια μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την διερεύνηση κάθε πιθανής διαφοράς στις ιδιότητές τους από αυτές που προβλέπουν οι αποδεκτές θεωρίες. Xρησιμοποιώντας τεχνικές που υποστηρίζονται από τα πιο ακριβή ρολόγια στον κόσμο, τα ατομικά ρολόγια – μπορεί να γίνει ο έλεγχος και πιθανόν ο επαναπροσδιορισμός των θεμελίων της φυσικής. Oι Hori et al [Laser spectroscopy of pionic helium atoms] είναι οι πρώτοι που αναφέρουν διέγερση ατόμων ηλίου, των οποίων ένα ηλεκτρόνιο έχει αντικατασταθεί από ένα σωματίδιο που ονομάζεται πιόνιο.

To ενδιαφέρον για τα εξωτικά άτομα προκύπτει από το γεγονός ότι συχνά διευκολύνουν την πιο βασική πειραματική στρατηγική που χρησιμοποιείται στη φυσική: μεταβάλλουμε μια συγκεκριμένη παράμετρο σε ένα κατά τα άλλα πολύπλοκο σύστημα για να παρατηρήσουμε το αποτέλεσμα. Στην πράξη, αυτό δεν είναι τόσο απλό όσο ακούγεται. Διαφορετικά σωματίδια μπορεί να έχουν διαφορετικές μάζες ή φορτία, και μπορεί να αλληλεπιδρούν με έναν ανεπαίσθητα διαφορετικό τρόπο. Εντούτοις, τέτοιες λεπτομέρειες κάνουν τα εξωτικά άτομα τόσο σημαντικά.

Καθώς βελτιώνονται οι τεχνικές που απαιτούνται για την μελέτη των εξωτικών ατόμων, αυξάνεται και ο αριθμός των επιστημόνων που μελετούν τέτοια άτομα για να διερευνήσουν θεμελιώδεις ιδιότητες της φύσης. Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι το επονομαζόμενο “παζλ της ακτίνας του πρωτονίου”, το οποίο προέκυψε από την μελέτη ατόμων υδρογόνου, των οποίων το ηλεκτρόνιο αντικαταστάθηκε από μιόνιο (τα μιόνια έχουν παρόμοιες ιδιότητες με τα ηλεκτρόνια, αλλά έχουν 200 φορές μεγαλύτερη μάζα).

Το μιονικό άτομο υδρογόνου χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό της ακτίνας της κατανομής του ηλεκτρικού φορτίου του πρωτονίου. Και η τιμή που προέκυψε αρχικά διέφερε περίπου πέντε τυπικές αποκλίσεις από την αναμενόμενη εκείνη την εποχή.

Το μιονικό άτομο του υδρογόνου έδειξε πως εξωτικά ατομικά συστήματα, μερικές φορές βραχύβια, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να ελέγξουν πέραν κάθε υποψίας δεδομένα, των οποίων μια μικρή απόκλιση μπορεί να σημαίνει νέα φυσική.

Τα εξωτικά άτομα, όπως και τα συνηθισμένα, είναι δέσμια συστήματα (απαιτείται ενέργεια για να απομακρυνθούν τα συστατικά τους σε πολύ μεγάλη απόσταση), με πολλές εσωτερικές ενεργειακές καταστάσεις. Οι μεταβάσεις μεταξύ αυτών των καταστάσεων μελετώνται διαμέσου της φασματοσκοπίας λέιζερ. Η μελέτη των ατομικών μεταβάσεων – και ιδιαίτερα στο άτομο του υδρογόνου – είναι μια συνεχής προσπάθεια που διαρκεί περισσότερους από δύο αιώνες. Αποτέλεσε έμπνευση για το πρωτοποριακό μοντέλο του Niels Bohr στις αρχές του εικοστού αιώνα, και καθοδήγησε την διατύπωση της κβαντικής μηχανικής.

Σήμερα, οι ατομικές μεταβάσεις είναι το θεμέλιο στο οποίο βασίζονται όλες οι μετρήσεις χρόνου: μια μετάβαση στο άτομο καισίου-133 παρέχει μια τιμή αναφοράς στην οποία βασίζεται ο ορισμός του δευτερολέπτου στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων. Οι φασματοσκοπικές τεχνικές για τη μέτρηση των μεταβάσεων τελειοποιούνται συνεχώς και οι καλύτερες μετρήσεις μπορούν πλέον να φτάσουν σε εκπληκτική ακρίβεια. Οι πιο ακριβείς μετρήσεις των εξωτικών ατόμων εξακολουθούν να υστερούν, αλλά σε μια μέτρηση για το αντιυδρογόνο (η δέσμια κατάσταση ενός αντιπρωτονίου και ενός αντιηλεκτρονίου) επετεύχθη εξαιρετική ακρίβεια-ορόσημο, ανοίγοντας έτσι το δρόμο για τον έλεγχο των θεμελιωδών ιδιοτήτων της αντιύλης.

Στην εργασία τους, οι Hori et al περιγράφουν την πρώτη παρατήρηση μιας μετάβασης σε «πιονικό» άτομο ηλίου. Σε ένα τέτοιο άτομο, το ένα από τα δύο ηλεκτρόνια του ατόμου ηλίου έχει αντικατασταθεί από ένα πιόνιο. Τα πιόνια ανακαλύφθηκαν από τον Cecil Powell και τους συνεργάτες του το 1947, αλλά η ύπαρξή τους προβλέφθηκε για πρώτη φορά το 1935 από τον Hideki Yukawa. Ανήκουν στην οικογένεια των υποατομικών σωματιδίων που είναι γνωστά ως μεσόνια, τα οποία αποτελούνται από ένα κουάρκ και ένα αντικουάρκ. Τα κουάρκ είναι τα σωματίδια που σχηματίζουν τα πρωτόνια και τα νετρόνια.

Τα πιόνια είναι βραχύβια σωματίδια, που μπορεί να είναι θετικά φορτισμένα, αρνητικά φορτισμένα αλλά και ουδέτερα. Τα αρνητικά φορτισμένα πιόνια που χρησιμοποιήθηκαν από τους Hori et al. έχουν χρόνο ζωής μόνο 26 νανοδευτερόλεπτα όταν είναι απομονωμένα. Δεν είναι επομένως μικρό επίτευγμα το γεγονός ότι οι πειραματιστές όχι μόνο κατάφεραν να αντικαταστήσουν ένα ηλεκτρόνιο με πιόνιο σε άτομα ηλίου, αλλά παρατήρησαν επίσης και κβαντική μετάβαση στο εξωτικό άτομο που προέκυψε . Μια επιπλέον δυσκολία είναι ότι η διάρκεια ζωής του πιονίου στο εξωτικό άτομο μπορεί να μειωθεί σε πικο-δευτερόλεπτα επειδή βρίσκεται κοντά στον πυρήνα του ατόμου.

Οι ερευνητές προετοίμασαν άτομα πιονικού ηλίου βομβαρδίζοντας με μια δέσμη πιονίων έναν στόχο υγρού-ηλίου. Στο πείραμα το ήλιο–στόχος ψύχθηκε σε  θερμοκρασία περίπου 2 Κelvin. Αυτό επέτρεψε τη σύλληψη μερικών πιονίων σε μια ασθενώς δεσμευμένη κατάσταση πιονικού ηλίου, στην οποία το πιόνιο ήταν αρκετά μακριά από τον πυρήνα γύρω από τον οποίο παρέμενε το ένα ηλεκτρόνιο (βλέπε την εικόνα παραπάνω). Επομένως, το προκύπτον εξωτικό άτομο διατήρησε μια διάρκεια ζωής της τάξης των νανοδευτερολέπτων, η οποία είναι αρκετά μεγάλη ώστε ένας παλμός λέιζερ να το διεγείρει.

Χρησιμοποιώντας έναν σύντομο (0,8 νανοδευτερόλεπτα) παλμό λέιζερ υπέρυθρης ακτινοβολίας, ο Hori και προκάλεσαν τη μετάβαση του πιονίου σε χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο, στην θέση του ηλεκτρονίου το οποίο απομακρύνθηκε από το άτομο. Έτσι, προέκυψε ένα ένα βραχύβιο άτομο αποτελούμενο από ένα μόνο πιόνιο συνδεδεμένο με έναν πυρήνα ηλίου. Το πιόνιο στη συνέχεια απορροφήθηκε από τον πυρήνα, προκαλώντας την διάσπασή του (σχάση).

Η μετάβαση του πιονίου ανιχνεύθηκε μέσα από το υπόβαθρο των πειραματικών δεδομένων, συσχετίζοντας γεγονότα υποβάθρου με τα αναμενόμενα προϊόντα της σχάσης του πυρήνα του ηλίου από το πιόνιο. Παρά την μικρή στατιστική, το σήμα από την αποδιέγερση του πιονίου ανιχνεύθηκε ξεκάθαρα στην αναμενόμενη ενεργειακή τιμή.

Αυτό το αποτέλεσμα βασίζεται στην μεγάλη εμπειρία της ερευνητικής ομάδας που αποκτήθηκε κατά την μελέτη ενός άλλου εξωτικού ατόμου ηλίου, στο οποίο ένα ηλεκτρόνιο αντικαταστάθηκε με αντιπρωτόνιο. Αυτή η εργασία είχε ως αποτέλεσμα, μεταξύ άλλων, στον ακριβέστερο μέχρι σήμερα προσδιορισμό του λόγου της μάζας του αντιπρωτονίου προς εκείνη του ηλεκτρονίου. Ωστόσο, οι ερευνητές έπρεπε να ξεπεράσουν κι άλλες προκλήσεις για να μελετήσουν το πιονικό ήλιο. Για παράδειγμα, η διάρκεια ζωής των ατόμων του «πιονικού ηλίου» είναι μικρότερη από εκείνη του «αντιπρωτονικού ηλίου» και τα πλάτη των γραμμών εκπομπής στα φάσματά τους είναι πλατύτερα

Ωστόσο, η εργασία των Hori et al  Χόρι ανοίγει εντελώς νέους πειραματικούς δρόμους έρευνας. Η εν λόγω πειραματική διαδικασία μπορεί να μας οδηγήσει στον προσδιορισμό της μάζας του αρνητικά φορτισμένου πιονίου με τεράστια ακρίβεια, και γενικότερα στην βελτίωση των γνώσεών μας σχετικά με τα θεμελιώδη συστατικά της φύσης.

πηγή: https://www.nature.com/articles/d41586-020-01250-7