Egy új egzotikus atom, a pionos hélium létrehozásáról és spektroszkópiai méréseiről szóló kísérletet publikáltak az Európai Nukleáris Kutatási Szervezetben (CERN) folyó ASACUSA együttműködés kutatói a Nature című tudományos folyóiratban. A nemzetközi kutatócsoport a Zürich közelében fekvő Paul Scherrer Intézetben (PSI), a világ legnagyobb kapacitású mezongyárában hozta létre és mérte az elméletileg már korábban felvetett, de létezésében soha nem igazolt egzotikus atomot – adta hírül a CERN közleményében.

A CERN a világ legnagyobb részecskegyorsítója mellett 1999 óta üzemben tart és folyamatosan fejleszt egy antianyaggyárnak nevezett mérőrendszert. Ott sikerült először antianyagatomokat, azaz a proton antirészecskéit, antiprotonokat tartalmazó atomokat előállítani, csapdában tartani és a közönséges anyaggal összehasonlítva pontos spektroszkópiai méréseket végezni rajtuk. Az antianyaggyár egyik kísérlete a japán kutatók vezette ASACUSA nevű együttműködés, amelynek alapításában magyar csoport is részt vett a Wigner Fizikai Kutatóközpontból és a debreceni Atommagkutató Intézetből osztrák, német és olasz kutatócsoportokkal együtt.

Az ASACUSA kísérlet sikerei között sok elsőként felfedezett jelenséget és vizsgálatot jegyeznek, többek között annak megmutatását lézerspektroszkópia segítségével, hogy a töltésük előjelén kívül a protonnak és antirészecskéjének, az antiprotonnak valamennyi tulajdonsága hihetetlenül pontosan egyezik – írta Horváth Dezső Széchenyi-díjas professor emeritus, az Eötvös Loránd Kutatási Hálózathoz tartozó Wigner Fizikai Kutatóközpont kutatója a hálózat által kiadott közleményben.

Húsz éve tart a kísérlet

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 kutatókban felmerült, hogy 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 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 antiprotonokhoz hasonlóan a pion tömegének a korábbinál sokkal pontosabb mérése. A fő nehézség a pion rövid élettartama. 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 pontosítani az észlelt lézerátmenet mérését 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.