Impressione artistica dell’atomo di elio pionico irradiato da un raggio laser. Crediti: Max Planck Institute of Quantum Optics
L’evidenza di atomi esotici, nei quali gli elettroni sono sostituiti da altre particelle subatomiche della stessa carica, sta aprendo una finestra nel mondo quantistico. Dopo otto anni di continue ricerche, un gruppo guidato da Masaki Hori, un fisico del Max Planck Institute of Quantum Optics di Garching, in Germania, è riuscito in un esperimento davvero impegnativo: per la prima volta, in un atomo di elio sono riusciti a sostituire un elettrone con un pione – la particella mediatrice dell’interazione forte fra nucleoni – in uno stato quantico specifico, e sono stati in grado di verificare l’esistenza di questo elio pionico particolarmente longevo. Sì, perché il pione solitamente ha una vita molto breve, ma in questo caso i ricercatori hanno scoperto che sembrerebbe vivere mille volte più a lungo di quanto normalmente fa in altre varietà di materia.
I pioni appartengono a un’importante famiglia di particelle che determina la stabilità e il decadimento dei nuclei atomici, chiamate mesoni. I mesoni mediano la forza forte tra i mattoni costituenti i nuclei atomici: i neutroni e i protoni. Nonostante i protoni, con la stessa carica elettrica, si respingano violentemente, la forza nucleare forte li lega insieme per formare il nucleo atomico. Senza questa forza, il nostro mondo non potrebbe esisterebbe. L’atomo di elio pionico consentirà agli scienziati di studiare i pioni in modo estremamente preciso, utilizzando la spettroscopia laser.
Per otto anni, il gruppo di ricerca di Hori ha lavorato a questo avvincente esperimento pionieristico, che ha il potenziale per stabilire un nuovo campo di ricerca. È stata una maratona scientifica, resa possibile da una cooperazione internazionale tra Max Planck Institute of Quantum Optics, il Paul Scherrer Institute (Psi) in Svizzera e il Cern, il laboratorio europeo di fisica delle particelle.
Per la prima volta, è stato dimostrato sperimentalmente che gli atomi di elio pionico di lunga durata esistono veramente. L’atomo di elio è stato per così dire “infettato” da un pione, che è andato a sostituire uno dei due elettroni dell’atomo di elio. «È una forma di reazione chimica che si verifica automaticamente», spiega Hori. L’atomo esotico era già stato previsto teoricamente nel 1964, dopo che alcuni esperimenti condotti a quel tempo avevano indicato la sua esistenza. Tuttavia, è sempre stato considerato estremamente difficile verificare questa previsione a livello sperimentale. Di solito, in un atomo, il pione ha una vita media molto breve e decade in fretta. Tuttavia, nell’elio pionico, sembra che si conservi, vivendo mille volte più a lungo di quanto non faccia normalmente in altri atomi.
Era da otto anni che il team voleva dimostrare che nel serbatoio del loro esperimento, pieno di elio superfluido estremamente freddo, potevano esistere atomi di elio pionico. Nell’atomo di elio, il pione si comporta come un elettrone molto pesante. Può saltare solo tra stati quantistici discreti, come sui gradini di una scala. Il team ha dovuto trovare uno stato di lunga durata e un salto quantico molto speciale, eccitabile con un laser in grado di dare un “calcio” al pione nel nucleo di elio e distruggere l’atomo. Rilevare i resti dalla rottura del nucleo è come avere tra le mani una pistola fumante. Tuttavia, i teorici non potevano prevedere esattamente a quale lunghezza d’onda della luce si sarebbe verificato il salto quantico. Quindi il team ha dovuto installare tre complessi sistemi laser, uno dopo l’altro, fino a quando non sono riusciti a trovare quello che cercavano. «Si tratta di un successo che apre modi completamente nuovi per studiare i pioni con i metodi dell’ottica quantistica», si rallegra Hori. Uno di questi metodi è la spettroscopia laser, uno degli strumenti più precisi impiegati nella fisica. I pioni in questi stati quantistici possono quindi essere studiati con molta più precisione di quanto non sia mai stato possibile fare prima d’ora.
L’esperimento ha utilizzato la sorgente di pioni più potente del mondo, situata presso lo Psi. Poiché il rischio di fallimento era molto elevato, e lungo il percorso di fallimenti ce ne sono stati diversi, il gruppo aveva bisogno di un supporto a lungo termine da parte dello Psi e della Max Planck Society (Mpg). E così è stato: lo Psi ha fornito i fasci di pioni, il Cern ha fornito una parte importante dell’attrezzatura e la Mpg ha garantito un ambiente di ricerca di lunga data. Il progetto è stato finanziato da una sovvenzione del Consiglio europeo della ricerca.
La ricerca è stata pubblicata questa settimana su Nature e Hori si augura che abbia aperto una nuova finestra sull’universo quantistico di forze e particelle.
Per saperne di più:
- Leggi su Nature l’articolo “Laser spectroscopy of pionic helium atoms” di Masaki Hori, Hossein Aghai-Khozani, Anna Sótér, Andreas Dax e Daniel Barna