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Exotische Atome : Pionen umkreisen nun auch Heliumkerne

Künstlerische Darstellung eines pionischen Heliumatoms angeregt von einem Laserstrahl. Bild: Thorsten Naeser, Dennis Luck, MPQ

In den Atomen kreisen normalerweise Elektronen um die Kerne. Doch das muss nicht so sein. Forschern ist es gelungen, kurzlebige Pionen in Heliumatome einzuschleusen. Acht Jahre tüftelten sie an diesem Experiment.

          2 Min.

          Atome müssen nicht ausschließlich aus Elektronen und Protonen sowie Neutronen bestehen. Hülle und Atomkern können auch aus exotischen Teilchen aufgebaut sein. Bei myonischem Wasserstoff beispielsweise ist das Elektron durch sein schweres Schwesterteilchen, das Myon, ersetzt worden. Myonen können dann gewissermaßen als Sonden dienen, um die Eigenschaften des Atomkerns, wie dessen exakten Durchmesser, auszuloten.

          Manfred Lindinger
          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Noch exotischer ist ein Atom, das Physiker um Masaki Hori vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching geschaffen haben. Es besteht aus einem Heliumkern mit zwei Protonen und zwei Neutronen, der von einem Elektron und einem negativ geladenen Pion – also einem Teilchen, das aus einem Quark und einem Antiquark besteht – umkreist wird.

          Diesen Apparat benutzten die Forscher um Masakai Hori, um pionische Heliumatome nachzuweisen. Die Pionen gelangen von rechts in das Gerät, der Laserstrahl wird von links eingestrahlt.
          Diesen Apparat benutzten die Forscher um Masakai Hori, um pionische Heliumatome nachzuweisen. Die Pionen gelangen von rechts in das Gerät, der Laserstrahl wird von links eingestrahlt. : Bild: Masaki Hori

          Geladene Pionen unterliegen außer der elektromagnetischen Kraft noch der schwachen und der starken Wechselwirkung. Sie sind extrem kurzlebig. Als freie Teilchen zerfallen sie bereits nach nur 26 Nanosekunden in andere subatomare Partikeln. Wird ein Pion in die Hülle eines Wasserstoffatoms eingeschleust, reduziert sich die Lebensdauer des Teilchens und des Atoms bis auf wenige Pikosekunden.

          Es gibt aber Hinweise, dass sich die Lebensdauer eines gebundenen Pions um einen Faktor tausend verlängern würde, wenn man es in ein Heliumatom einschleust. Damit böte sich die Chance, das exotische Atom mit Laserstrahlen zu spektroskopieren und Informationen über seine Energiezustände zu gewinnen. Zwar war die Existenz von pionischem Helium schon 1964 vorausgesagt worden. Seine Herstellung und insbesondere der zweifelsfreie Nachweis seiner Existenz erwiesen sich aber als äußerst schwierig.

          Von links nach rechts: Ein Pion (p) trifft auf ein Heliumatom und ersetzt eines seiner beiden Elektronen. Das Ergebnis ist ein pionisches Heliumatom (pHe+). Für diesen Beweis veranlasst ein resonanter Laserstrahl das Pion, von seiner Quantenbahn in eine andere Bahn zu springen, die zu seiner Absorption durch den Heliumkern führt. Dies bewirkt, dass der Kern zerbricht und dessen Fragmente nachgewiesen werden können.
          Von links nach rechts: Ein Pion (p) trifft auf ein Heliumatom und ersetzt eines seiner beiden Elektronen. Das Ergebnis ist ein pionisches Heliumatom (pHe+). Für diesen Beweis veranlasst ein resonanter Laserstrahl das Pion, von seiner Quantenbahn in eine andere Bahn zu springen, die zu seiner Absorption durch den Heliumkern führt. Dies bewirkt, dass der Kern zerbricht und dessen Fragmente nachgewiesen werden können. : Bild: Masaki Hori, MPQ

          Acht Jahre haben Hori und seine Kollegen für ihre Experimente benötigt, die am Schweizer Paul Scherrer Institut in Villigen nun zum Erfolg geführt haben. Wie die Forscher in der Zeitschrift „Nature“ berichten, haben sie mit einer starken Pionenquelle eine Probe mit supraflüssigem Helium bestrahlt. Hin und wieder kam es vor, dass ein ankommendes Pion ein Elektron in der Hülle eines Atoms herausschlug und dessen Platz einnahm.

          Zum Nachweis, dass sich dabei tatsächlich pionisches Helium gebildet hatte, bestrahlten die Forscher um Hori ihre Probe mit kurzen Laserpulsen, um innere Energiezustände des exotischen Heliums anzuregen. Wurde eine Resonanz getroffen, zerfiel das pionische Atom. Der Heliumkern absorbierte das Pion und zerbrach in seine Bestandteile. Die nachgewiesenen Protonen und Neutronen dienten als Indiz dafür, dass die Experimente erfolgreich verlaufen waren.

          Die Suche nach den passenden Laserwellenlängen, die für die Anregung der gesuchten Zustände geeignet waren, stellte die größte Herausforderung dar. Mit ihren Versuchen haben die Forscher um Hori nun die Voraussetzung geschaffen, die Eigenschaften des exotischen Heliumatoms zu erforschen.

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