Ricostruzione artistica. Credits: Thorsten Naeser, Dennis Luck, MPQ

Intro: l’elio pionico

Gli atomi esotici, in cui gli elettroni sono sostituiti da altre particelle subatomiche della stessa carica, consentono approfondimenti nel mondo quantistico. Dopo otto anni di ricerche, un gruppo guidato da Masaki Hori, fisico senior presso il Max Planck Institute of Quantum Optics di Garching, in Germania, è ora riuscito in un esperimento impegnativo: in un atomo di elio hanno sostituito un elettrone con un pione in uno stato quantistico specifico ed hanno verificato, per la prima volta, l’esistenza di questo “elio pionico” di lunga durata.

Il pione, che in genere ha breve durata di vita, potrebbe quindi vivere mille volte più a lungo di quanto normalmente farebbe in altre varietà di materia. I pioni appartengono a un’importante famiglia di particelle che determinano la stabilità e il decadimento dei nuclei atomici. L’atomo di elio pionico ora consente agli scienziati di studiare i pioni in modo estremamente preciso con i mezzi della spettroscopia laser.

La ricerca è stata pubblicata nell’edizione di questa settimana di Nature.

Una maratona scientifica

Per otto anni, il gruppo ha lavorato a questo avvincente esperimento pionieristico che ha il potenziale per stabilire un nuovo campo della ricerca. Era una maratona scientifica, resa possibile da una cooperazione internazionale tra il Max Planck Institute of Quantum Optics, l’Istituto Paul Scherrer (PSI) in Svizzera e il CERN, il Laboratorio europeo di fisica delle particelle.

Il successo del team è stato quello di dimostrare sperimentalmente per la prima volta che gli atomi di elio pionico di lunga durata esistono davvero. L’atomo di elio è stato “infettato” – per così dire – da un pione che sostituisce 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 teoricamente previsto nel 1964 dopo che alcuni esperimenti a quel tempo avevano indicato la sua esistenza. Tuttavia, è stato considerato estremamente difficile verificare questa previsione a livello sperimentale. Di solito, in un atomo, il pione di durata estremamente breve decade anche prima. Tuttavia, nell’elio pionico, può essere conservato in un certo senso, quindi vive mille volte più a lungo di quanto non faccia normalmente in altri atomi.

La “pistola fumante”

La sfida con cui il team ha lottato per otto anni stava dimostrando che un tale atomo di elio pionico esisteva nel serbatoio del loro esperimento. Il serbatoio era pieno di elio estremamente freddo e superfluido. Nell’atomo di elio, il pione si comporta come un elettrone molto pesante. Può solo saltare tra stati quantistici discreti, come sui gradini di una scala. Il team ha dovuto trovare uno stato longevo e un salto quantistico molto speciale che potevano eccitare con un laser e che avrebbe calciato il pione nel nucleo di elio e distrutto l’atomo. 

Ricostruzione artistica. Credits: Thorsten Naeser, Dennis Luck,
MPQ

Il team, quindi, avrebbe potuto rilevare i detriti dalla rottura del nucleo come una “pistola fumante” (vedi figura). Tuttavia, i teorici non potevano prevedere esattamente a quale lunghezza d’onda della luce si sarebbe verificato il salto quantistico. Quindi ha dovuto installare tre complessi sistemi laser uno dopo l’altro fino a quando non hanno avuto successo.

Questo successo apre modi completamente nuovi per studiare i pioni con i metodi dell’ottica quantistica“, si rallegra Hori. Parte di questi metodi è la spettroscopia laser, uno degli strumenti più precisi in fisica. I pioni in questi stati quantistici possono quindi essere studiati con molta più precisione mari avuto sino ad oggi.

Una nuova finestra sul cosmo quantistico

Il pione appartiene alla famiglia di particelle dei cosiddetti mesoni. I mesoni mediano la forza forte tra i mattoni dei nuclei atomici, i neutroni e i protoni. Sebbene i protoni con la stessa carica elettrica si respingano violentemente, la forza nucleare più forte li lega insieme per formare il nucleo atomico. Senza questa forza, il nostro mondo non esisterebbe. I mesoni sono fondamentalmente diversi dai protoni e dai neutroni, che sono ciascuno composto da tre quark, mentre i mesoni sono costituiti solo da due quark.

L’esperimento ha utilizzato la fonte di pioni più potente del mondo, situata presso il PSI. Poiché il rischio di fallimento era molto elevato e c’erano già stati numerosi fallimenti lungo il percorso, il gruppo aveva bisogno di un supporto a lungo termine da parte del PSI e del Max Planck Society (MPG). Il PSI ha fornito il tempo di trasmissione con pioni, i gruppi tecnici del CERN hanno fornito una parte importante dell’attrezzatura e l’MPG ha fornito un ambiente adatta alla ricerca per tutto il periodo necessario. Il progetto è stato finanziato da una sovvenzione del CER (Consiglio europeo della ricerca).

Il dott. Hori spera che la sua ricerca abbia aperto una nuova finestra sul cosmo quantistco delle particelle e delle forze.

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