马克斯·普朗克学会 激光束照射下的π氦原子的艺术印象
荣誉:马克斯·普朗克量子光学研究所 外来原子中的电子被其他具有相同电荷的亚原子粒子所取代，这使得我们能够深入了解量子世界
经过八年的持续研究，由德国格兴马克斯·普朗克量子光学研究所的高级物理学家堀江正树领导的一个小组现在已经成功地完成了一项具有挑战性的实验:在一个氦原子中，他们用一个特定量子态的π介子替换了一个电子，并首次验证了这种长寿的“π介子氦”的存在
因此，通常寿命很短的π介子可能比其他种类的物质存在的时间长1000倍
π介子属于决定原子核稳定性和衰变的重要粒子家族
π氦原子使科学家能够使用激光光谱学以极其精确的方式研究π介子
这项研究发表在本周的《自然》杂志上
八年来，该小组致力于这项具有挑战性的实验，这项实验有可能建立一个新的研究领域
该小组首次通过实验证明了长寿的π氦原子确实存在
“这是一种自动发生的化学反应，”Hori解释说
1964年，在当时的实验指向外来原子的存在后，首次从理论上预测了它的存在
然而，通过实验来验证这一预测被认为是极其困难的
通常，在原子中，寿命极短的π介子会迅速衰变
然而，在π氦中，它在某种意义上是守恒的，因此它的寿命是其他原子的1000倍
“冒烟的枪” 这个团队奋斗了八年的挑战是证明这样一个质子氦原子存在于装满极冷超流氦的容器中
在氦原子中，π介子表现得像一个非常重的电子
它只能在离散的量子态之间跳跃，就像爬梯子上的台阶
该团队必须找到一种长寿状态和一种非常特殊的量子跃迁，他们可以用激光激发这种跃迁，将π介子踢入氦核并摧毁原子
然后，研究小组可以像“冒烟的枪”一样探测到原子核分裂产生的碎片(见图)
然而，理论家们无法准确预测量子跃迁发生在哪个光波长
因此，该团队不得不一个接一个地安装三个复杂的激光系统，直到它们成功
“这一成功为用量子光学方法研究π介子开辟了全新的途径，”Hori说
研究人员使用了激光光谱学，这是物理学中最精确的工具之一
因此，量子态中的π介子可以比以往更加精确地被研究
量子宇宙的新窗口 π介子属于所谓介子的粒子族
介子在原子核、中子和质子之间传递强大的力量
虽然带有相同电荷的质子彼此强烈排斥，但更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
介子从根本上不同于质子和中子，质子和中子各由三个夸克组成，而介子仅由两个夸克组成
实验使用了世界上最强大的π介子源，位于PSI
由于失败的风险非常高，而且一路上失败无数，该小组需要防扩散安全倡议和马克斯·普朗克学会的长期支持
“防扩散安全倡议”为束流时间提供了π介子，欧洲核研究组织的技术小组提供了设备的重要组成部分，而“监测计划”提供了一个长期研究的有利环境
该项目由ERC资助(欧洲研究理事会)
医生
堀内希望他的研究为粒子和力的量子宇宙打开一扇新的窗户
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