Физики впервые экспериментально подтвердили и исследовали экзотический метастабильный атом — систему, состоящую из пиона, электрона и ядра гелия. Дальнейшее изучение этого объекта позволит многократно увеличить точность определения масс элементарных частиц и проверить Стандартную модель.

Статья опубликована в журнале Nature.

Экзотические атомы — это особые квантовомеханические системы с электромагнитной связью. Если в обычных атомах носителями заряда являются электроны и протоны, то в экзотических их заменяют другие элементарные частицы. Как правило, такие объекты разрушаются за доли секунды, поэтому наблюдать за системой и проводить измерения чрезвычайно сложно.

В то же время данные, которые могут предоставить экзотические атомы, имеют большую значимость для физики. В частности, они позволяют определять массы частиц во много раз точнее, чем это возможно в других экспериментах, а также фиксировать и изучать явления, которые выходят за рамки Стандартной модели.

Одним из возможных типов экзотических атомов являются мезонные атомы. В таких системах один из электронов заменяется на отрицательно заряженный мезон — в сотни раз более тяжелую частицу, которая состоит из кварка и антикварка. Обычно время жизни мезонного атома не превышает 10^-12 секунды, однако известны и более устойчивые представители этого класса.

Среди таких долгожителей ученые выделяют π⁴He⁺ — систему из пиона, электрона и ядра гелия. Благодаря квантовым законам этот объект разрушается только на масштабе наносекунд — то есть является в тысячу раз более стабильным, чем обычные мезонные атомы. Эта особенность позволяет исследователям успеть провести измерения и получить необходимую информацию. Тем не менее, до недавнего времени объект существовал только на бумаге — надежно обнаружить его на практике никому не удавалось.

Группа исследователей из Германии и Швейцарии под руководством Масаки Хори (Masaki Hori) из Института квантовой оптики Общества Макса Планка впервые экспериментально подтвердила образование π⁴He⁺.