《Nature》：八年磨一剑，科学家首次实验验证奇异物质！

　　激光束照射π介子氦原子的艺术抽象图。来自Thorsten Naeser，Dennis Luck,，MPQ

　　奇异原子是指普通原子的一个或多个组分被奇异粒子（如反物质粒子）所取代的原子。基于世界上最精确计时器原子钟的技术对这些原子进行探测，可以寻找它们的性质与模型预测的性质之间的任何微小差异，从而打开了物理学基础的一扇窗户。人们对奇异原子的兴趣源于这样一个事实，即它们通常有助于物理学中最基本的实验策略：改变其他复杂系统中的单个参数或成分，以观察其效果。实际上，这并不像看上去那么简单。不同的粒子可以有不同的质量或电荷，并可能以其他微妙的方式与周围环境发生不同的相互作用，然而这些微妙之处往往增加了奇异原子的价值。

　　随着研究奇异原子所需技术的改进，越来越多的科学家通过研究这些原子探讨自然界的基本性质。奇异原子作为基础物理探针的一个重要特点是，它们是具有多个内能态的束缚系统（需要能量将其组成拉开）。因此，这些状态之间的转换可以通过激光光谱学进行研究，激光光谱学是物理学工具箱中最精确的测量工具。原子跃迁的研究，特别是氢原子跃迁的研究，是一项持续了两个多世纪的工作。例如，它启发了Niels Bohr在二十世纪早期开创性的原子模型，并推动了量子力学的许多发展。

　　1947年，Cecil Powell和他的同事们发现了π介子，但在1935年，Hideki Yukawa就首次预言了π介子的存在。它们属于被称为介子的亚原子粒子家族，介子传递原子核、中子和质子之间的强大作用力。尽管具有相同电荷的质子彼此强烈排斥，但较强的核力将它们结合在一起形成原子核。没有这种力量，我们的世界就不会存在。介子与质子和中子有根本的不同，质子和中子都由三个夸克组成，而介子只由两个夸克组成。π介子是一种短寿命粒子，具有正电性、负电性和中性等多种形式，是决定原子核稳定性和衰变的一类重要粒子。1964年，在当时的一些实验中，人们已经从理论上预言了π介子氦原子的存在。然而，人们认为很难通过实验验证这一预测。通常，在一个原子中，寿命极短的π原子衰变得更快。然而，在π介子氦中，它在某种意义上是守恒的，所以它的寿命是其他原子的一千倍。

　　经过八年的持续研究，来自德国马克斯普朗克量子光学研究所的资深物理学家Masaki Hori领导的小组成功地完成了一项具有挑战性的实验：在氦原子中，他们用一个处于特定量子态的π介子取代了一个电子，合成了π4He+，并在183760千兆赫兹的近红外共振频率下激发了π-占据的π 4He +轨道的跃迁（n，l）=（17，16）（17，15）。激光引发电磁串联过程，以原子核吸收π-并经历裂变结束。对产生的中子、质子和氘核碎片的探测表明原子中存在激光诱导共振，首次证实了这种长寿命的“π介子氦”的存在。这项工作使得利用量子光学的实验技术来研究介子成为可能。这项研究以“Laser spectroscopy of pionic helium atoms”为题发表Nature上。

　　研究者利用590MeV环形回旋加速器提供的带负电的π介子，用磁铁将它们聚焦到含有超流体氦的目标上，制备了π介子氦原子。实验中，氦靶被冷却到大约2K的低温，使得一些π介子被捕获在π介子氦的弱束缚态，其中π介子离原子核足够远，可以被剩余的电子屏蔽（图1）。因此，产生的奇异原子保留了纳秒级的寿命，这一寿命足以让激光脉冲激发出新生的奇异原子。

　　图1 如何制备和激发π介子氦。Hori等向液氦发射了一束负电性的氩原子粒子，称为π介子。当π介子撞击氦原子时，可以击出其中一个电子，并在氦原子核（由两个质子和两个中子组成）周围的高能级轨道上取代它，形成一个奇异原子，称为π介子氦。作者向这些奇异原子发射激光，从而观察到π介子向低能级轨道的转变，这一过程触发了剩余电子的喷射。这种喷射加速了π介子被原子核吸收（未显示），原子核最终分裂。

　　接下来，为了确认这些原子确实已经被创造出来及研究它们如何吸收光并与光产生共振，研究人员向目标发射不同频率的激光，并寻找π介子在其主体原子的不同能级之间进行量子跃迁的实例。经过不同激光频率的反复试验，他们能够识别特定的跳跃。据预测，这一跃迁将导致氦原子核对π介子的吸收，随后氦原子核分裂成一个质子、一个中子和一个由质子和中子组成的复合粒子。研究者用一系列粒子探测器探测到这些碎片，从而证实了π介子确实已经发生跃迁。

　　π介子跃迁是通过从实验数据中仔细去除大的“背景”信号来探测的；这个背景与π介子氦的短寿命态得到裂变产物有关，或者是由π介子束本身产生的。这使得每小时只有三个跃迁的π介子氦原子发出信号，或者估计每十亿个产生的奇异原子中有三个发出信号。尽管数量极低，但激光诱导的跃迁信号仍能被清楚地探测到，并且可以以大约5位有效数字的绝对精度来确定发生跃迁的激光频率（以及与跃迁能量变化相对应的频率）。

　　用于产生和探测质子π介子氦原子的实验装置。π介子从右侧进入，激光束从左侧进入。Masaki Hori

　　“对含有介子的奇异原子的激光光谱测量可用于高精度地确定组成介子的质量和其他性质，并对涉及介子的可能的新力做出限制。”Masaki Hori博士在接受采访时表示：“对于我们研究中使用的介子，即最轻的介子之一，我们也许最终能够以高于一亿分之一的精度确定它的质量。”“这将比迄今为止所达到的精度高出100倍，并将允许与标准模型预测进行精确比较。”

　　八年来，该小组致力于这项具有挑战性的开创性实验，这项实验将有可能建立一个新的研究领域。这是一场科学马拉松，由马克斯·普朗克量子光学研究所、瑞士保罗谢勒研究所（PSI）和欧洲粒子物理实验室CERN之间的国际合作促成。实验使用了世界上最强大的位于PSI的π介子源。由于实验失败的风险非常高，实验过程遇到了很多失败，该小组得到了PSI和马克斯普朗克协会（MPG）的长期支持。PSI为π介子提供了束流时间，CERN的技术组提供了设备的重要组成部分，MPG提供了长期研究的有利环境。该项目由欧洲研究理事会（ERC）资助。

　　下一步，研究者的目标是提高识别跃迁的精度，并搜索其他跃迁，以期利用它们测量π介子的质量并测试标准模型。

　　“这一成功为采用量子光学方法研究π介子开辟了全新的途径，”Hori博士高兴地说。

　　参考来源：

　　https://www.mpq.mpg.de/en/2020-05-pionic-helium

　　http://www.sci-news.com/physics/pionic-helium-08423.html

　　https://www.nature.com/articles/s41586-020-2240-x

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

　　来源：高分子科学前沿

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