Los átomos exóticos en los que los electrones son reemplazados por otras partículas subatómicas de la misma carga permiten una comprensión profunda del mundo cuántico. Después de ocho años de investigación en curso, un grupo dirigido por Masaki Hori, físico senior en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching, Alemania, ahora ha tenido éxito en un experimento desafiante:en un átomo de helio, reemplazaron un electrón con un pión en un estado cuántico específico y verificaron la existencia de este "helio piónico" de larga duración por primera vez. El pión, por lo general de corta vida, podría existir 1000 veces más de lo que normalmente existiría en otras variedades de materia. Los piones pertenecen a una importante familia de partículas que determinan la estabilidad y la desintegración de los núcleos atómicos. El átomo de helio piónico permite a los científicos estudiar los piones de una manera extremadamente precisa utilizando espectroscopía láser. La investigación se publica en la edición de esta semana de Naturaleza .

Por ocho años, el grupo trabajó en este desafiante experimento, que tiene el potencial de establecer un nuevo campo de investigación. El equipo demostró experimentalmente por primera vez que los átomos de helio piónico de larga vida realmente existen. "Es una forma de reacción química que ocurre automáticamente, "explica Hori. El átomo exótico se predijo teóricamente por primera vez en 1964 después de que los experimentos en ese momento apuntaran hacia su existencia. Sin embargo, se consideró extremadamente difícil verificar esta predicción experimentalmente. Generalmente, en un átomo, el pión de vida extremadamente corta se desintegra rápidamente. Sin embargo, en helio piónico, se puede conservar en cierto sentido, por lo que vive 1000 veces más de lo que normalmente vive en otros átomos.

La "pistola humeante"

El desafío con el que el equipo luchó durante ocho años fue demostrar que tal átomo de helio piónico existe en un tanque lleno de frío extremo, helio superfluido. En el átomo de helio, el pión se comporta como un electrón muy pesado. Solo puede saltar entre estados cuánticos discretos, como subir escalones en una escalera. El equipo tuvo que encontrar un estado de larga duración y un salto cuántico muy especial que pudieran excitar con un láser y que patearía el pión hacia el núcleo de helio y destruiría el átomo. Entonces, el equipo pudo detectar los restos de la ruptura del núcleo como una "pistola humeante" (ver figura). Sin embargo, los teóricos no pudieron predecir exactamente a qué longitud de onda de luz ocurriría el salto cuántico. Entonces, el equipo tuvo que instalar tres sistemas láser complejos, uno después del otro, hasta que tuvieron éxito.

"Este éxito abre formas completamente nuevas de investigar piones con los métodos de la óptica cuántica, "Dice Hori. Los investigadores utilizaron espectroscopia láser, una de las herramientas más precisas de la física. Por tanto, los piones en estados cuánticos pueden estudiarse con mucha más precisión que nunca.

Una nueva ventana al cosmos cuántico

El pión pertenece a la familia de partículas de los llamados mesones. Los mesones median la fuerza fuerte entre los bloques de construcción de los núcleos atómicos, neutrones y protones. Aunque los protones con la misma carga eléctrica se repelen violentamente, la fuerza nuclear más fuerte los une para formar el núcleo atómico. Sin esta fuerza nuestro mundo no existiría. Los mesones son fundamentalmente diferentes de los protones y neutrones, que se componen cada uno de tres quarks, mientras que los mesones constan de solo dos quarks.

El experimento utilizó la fuente de piones más poderosa del mundo, ubicado en PSI. Dado que el riesgo de falla era muy alto y hubo numerosas fallas en el camino, el grupo necesitaba apoyo a largo plazo de PSI y la Sociedad Max Planck (MPG). El PSI proporcionó tiempo de haz con piones, los grupos técnicos del CERN proporcionaron una parte importante del equipo, y el MPG proporcionó un entorno propicio para la investigación a largo plazo. El proyecto fue financiado por una beca ERC (European Research Council).

El Dr. Hori espera que su investigación abra una nueva ventana al cosmos cuántico de partículas y fuerzas.