ヘリウム原子の電子がパイ中間子に置き換えられた

ヘリウム原子の電子がパイ中間子に置き換えられた
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Anonim
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物理学者は初めて、エキゾチックな準安定原子(パイ中間子、電子、ヘリウム原子核からなるシステム)を実験的に確認し、調査しました。このオブジェクトをさらに研究すると、素粒子の質量を決定する精度が大幅に向上し、標準模型がチェックされます。記事はジャーナルNatureに掲載されました。

エキゾチック原子は、電磁結合を備えた特別な量子力学システムです。通常の原子では電荷キャリアが電子と陽子である場合、エキゾチックな原子ではそれらは他の素粒子に置き換えられます。原則として、このようなオブジェクトは数分の1秒で破壊されるため、システムを観察して測定することは非常に困難です。同時に、エキゾチック原子が提供できるデータは、物理学にとって非常に重要です。特に、粒子の質量を他の実験よりも何倍も正確に決定することや、標準模型の範囲を超える現象を記録して研究することを可能にします。

エキゾチック原子の可能なタイプの1つは中間子原子です。このようなシステムでは、電子の1つが負に帯電した中間子(クォークと反クォークで構成される数百倍重い粒子)に置き換えられます。通常、中間子原子の寿命は10〜12秒を超えませんが、このクラスのより安定した代表的なものも知られています。そのような長肝臓の中で、科学者はπ4He+-パイ中間子、電子、ヘリウム原子核のシステムを区別します。量子法則のおかげで、このオブジェクトはナノ秒スケールでのみ崩壊します。つまり、通常の中間子原子よりも1000倍安定しています。この機能により、研究者は時間をかけて測定を行い、必要な情報を入手することができます。それにもかかわらず、最近まで、オブジェクトは紙の上にのみ存在していました-実際には誰もそれを確実に検出することができませんでした。

マックスプランク量子光学研究所の堀正樹氏が率いるドイツとスイスの研究者グループが、初めてπ4He+の形成を実験的に確認しました。このために、物理学者は世界で最も強力なパイ中間子源と冷却された超流動ヘリウムで作られたターゲットを使用しました。この装置は、欧州原子核研究機構(CERN)によって製造され、実験のためにPaul ScherrerInstituteに配送されました。

実験では、グラファイトに加速陽子を照射すると牡丹が出現しました。この方法により、毎秒数千万個の粒子を形成することができました。次に、それらは磁石のシステムを使用してターゲットに向けられ、特別なフィルターが形成されたビームから不要な成分(ミューオンと電子)をふるいにかけました。最後に、ターゲットに飛んだパイ中間子は、その原子と部分的に衝突し、π4He+を形成しました。後者を検出するために、科学者はレーザービームをヘリウムに向けました-超流動物質に気泡がないため、ほとんど散乱することなくエキゾチック原子に到達することができました。物理学者は、光子エネルギーがπ4He+の励起状態へのジャンプのような遷移のエネルギーと一致するように放射周波数を選択しました。この遷移の結果として、エキゾチック原子はその安定性を失い、ヘリウム原子核はパイ中間子を吸収し、その後、反対方向に飛ぶ断片に分裂します。研究者たちは、これらのフラグメントを、同じくCERNで製造された特別な検出器に登録することができ、したがって、π4He+の検出を確認することができました。

さらに、著者らは、エキゾチック原子の破壊につながる共鳴遷移の周波数を決定することができましたが、測定値は理論的に予測された値と一致しませんでした。科学者はこれを原子の衝突によって説明します。これはエネルギーレベルの摂動を引き起こし、共鳴周波数をシフトさせます。物理学者はすでにこの影響に遭遇しています。研究者たちは、このバイアスをなんとか修正すると、実験データによってパイ中間子の質量が10-8の精度で決定されることに注目しています。これはこれまでの100倍の精度です。これにより、理論上の予測を確認および修正するための新しい機会が生まれます。

以前、標準模型がまれなD中間子崩壊の記述にどのように対処したか、そしてCERNがMicrosoftソフトウェアの使用をやめることをどのように決定したかについて話しました。

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