Gli atomi esotici in cui gli elettroni sono sostituiti da altre particelle subatomiche della stessa carica consentono approfondimenti sul mondo quantistico. Dopo otto anni di ricerche in corso, un gruppo guidato da Masaki Hori, fisico senior presso il Max Planck Institute of Quantum Optics a Garching, Germania, è ora riuscito in un esperimento impegnativo:in un atomo di elio, sostituirono un elettrone con un pione in uno specifico stato quantistico e verificarono per la prima volta l'esistenza di questo "elio pionico" di lunga durata. Il pione solitamente di breve durata potrebbe quindi esistere 1000 volte più a lungo di quanto sarebbe normalmente in altre varietà di materia. I pioni appartengono a un'importante famiglia di particelle che determinano la stabilità e il decadimento dei nuclei atomici. L'atomo di elio pionico consente agli scienziati di studiare i pioni in modo estremamente preciso utilizzando la spettroscopia laser. La ricerca è pubblicata nell'edizione di questa settimana di Natura .

Per otto anni, il gruppo ha lavorato a questo impegnativo esperimento, che ha il potenziale per stabilire un nuovo campo di ricerca. Il team ha dimostrato sperimentalmente per la prima volta che esistono davvero atomi di elio pionico di lunga durata. "È una forma di reazione chimica che avviene automaticamente, " spiega Hori. L'atomo esotico è stato previsto per la prima volta in teoria nel 1964 dopo che gli esperimenti in quel momento hanno indicato la sua esistenza. Tuttavia, è stato considerato estremamente difficile verificare sperimentalmente questa previsione. Generalmente, in un atomo, il pione dalla vita estremamente breve decade rapidamente. Però, in elio pionico, può essere conservato in un certo senso, quindi vive 1000 volte più a lungo di quanto non faccia normalmente in altri atomi.

La "pistola fumante"

La sfida con cui il team ha lottato per otto anni è stata quella di dimostrare che un tale atomo di elio pionico esiste in un serbatoio pieno di acqua estremamente fredda, elio superfluido. Nell'atomo di elio, il pione si comporta come un elettrone molto pesante. Può saltare solo tra stati quantistici discreti, come salire i gradini di una scala. Il team doveva trovare uno stato di lunga durata e un salto quantico molto speciale che potevano eccitare con un laser e che avrebbe spinto il pione nel nucleo di elio e distrutto l'atomo. Quindi il team ha potuto rilevare i detriti dalla rottura del nucleo come una "pistola fumante" (vedi figura). Però, i teorici non potevano prevedere esattamente a quale lunghezza d'onda della luce si sarebbe verificato il salto quantico. Quindi il team ha dovuto installare tre sistemi laser complessi, uno dopo l'altro, finché non hanno avuto successo.

"Questo successo apre modi completamente nuovi per studiare i pioni con i metodi dell'ottica quantistica, " dice Hori. I ricercatori hanno usato la spettroscopia laser, uno degli strumenti più precisi della fisica. I pioni negli stati quantistici possono quindi essere studiati con molta più precisione che mai.

Una nuova finestra sul cosmo quantistico

Il pione appartiene alla famiglia delle particelle dei cosiddetti mesoni. I mesoni mediano la forza forte tra i mattoni dei nuclei atomici, neutroni e protoni. Sebbene i protoni con la stessa carica elettrica si respingano violentemente, la forza nucleare più forte li lega insieme per formare il nucleo atomico. Senza questa forza, il nostro mondo non esisterebbe. I mesoni sono fondamentalmente diversi dai protoni e dai neutroni, ciascuno composto da tre quark, mentre i mesoni sono costituiti solo da due quark.

L'esperimento ha utilizzato la sorgente di pioni più potente al mondo, situato al PSI. Poiché il rischio di fallimento era molto alto e c'erano numerosi fallimenti lungo il percorso, il gruppo aveva bisogno del sostegno a lungo termine del PSI e della Max Planck Society (MPG). Il PSI ha fornito il tempo del fascio con i pioni, i gruppi tecnici del CERN hanno fornito una parte importante delle attrezzature, e l'MPG ha fornito un ambiente favorevole alla ricerca a lungo termine. Il progetto è stato finanziato da una borsa di studio ERC (European Research Council).

Il Dr. Hori spera che la sua ricerca apra una nuova finestra sul cosmo quantistico di particelle e forze.