파이온 분광학

원자 물리학의 도구는 양성자, 중성자, 전자 이상을 연구하는 데 사용될 수 있다.

원자와 간단한 분자의 레이저 분광법은 환상적으로 정밀한 측정을 가능하게 한다. 원자 공명을 기반으로 한 최고의 광학 시계는 우주의 시대에 1초 미만의 시간을 잃는다. 정밀 분광학은 시간에 따른 기본 상수의 드리프트와 짧은 거리에 걸친 뉴턴 중력으로부터의 편차를 검색하는 데 사용되고 있다(물리학 오늘, 2019년 10월, 18페이지 참조).

더 넓은 범위의 근본적인 물리학 문제에 분광학적 정밀도를 가져오기 위해, 연구자들은 일반적인 원자의 입자 중 하나 이상을 양전자, 뮤온 또는 반양성자와 같은 전하의 다른 입자로 대체함으로써 이국적인 원자를 만든다. 예를 들어, 반수소의 스펙트럼을 연구함으로써, 그들은 물질과 반물질 사이의 차이를 시험할 수 있다. 이제 막스 플랑크 양자 광학 연구소의 마사키 호리와 그의 동료들은 처음으로 중간자, 특히 음전하를 띤 파이온을 포함하는 이국적인 원자의 레이저 분광 측정을 했다. 중간자는 반쿼크에 결합되어 있고, 음전하를 띤 파이온은 반쿼크에 결합되어 있다. 그것은 거의 항상 뮤온과 뮤온 반중성미자로 분해된다. 그 반응의 에너지 균형에서 파이온 질량이 현재 충분히 정확하게 알려져 있지 않다는 것을 제외하고는 아직 알려지지 않은 중성미자 질량 상태에 대한 귀중한 제약을 설정할 수 있다. 원자의 분광 공명은 구성 입자의 질량에 의존하기 때문에, 파이온이 부여된 원자의 분광학은 도움이 될 수 있다. 전하를 띤 파이온은 약한 상호작용을 통해 붕괴하며, 26ns의 비교적 긴 수명은 분광학적 측정을 하기에 충분한 시간이다. 그러나 원자의 영역에서 파이온은 강한 상호작용을 통해 핵자와 반응할 수 있다. 하지만 만약 파이온이 높은 각운동량을 가진 궤도에 퇴적된다면, 그것은 핵으로부터 멀리 떨어져 있고, 그 결과로 생기는 원자 상태는 파이온 자체만큼이나 오래 지속될 수 있다. 위의 그림은 소위 파이온 헬륨 원자의 상태를 보여준다: 헬륨 원자(빨간색과 녹색), 단일 전자(파란색), 그리고 원자핵 주위를 멀리 도는 파이온(검은색).

연구원들이 액체 헬륨 표적에 펄스 파이온 빔을 박살냈던 스위스의 폴 셔러 연구소에서 이 이색적인 파이온이 부여된 헬륨 원자들이 만들어졌다. 초기 파이온 원자의 약 98%는 즉시 붕괴하는 단명 상태에서 생성되었으며, 이들의 핵분열 생성물은 아래 그림의 연한 파란색 히스토그램에서 볼 수 있듯이 실시간으로 감지된다. 나머지 2%는 더 오래 생존한 고각 운동량 상태에서 형성되었다. 연구원들은 파이온 펄스 사이에 흩어져 있는 레이저 펄스를 표적에 조사했다. 레이저 주파수가 파이온 헬륨 원자의 원자 공명과 일치했을 때, 그것은 남아있는 원자들을 오래 지속되는 상태에서 짧은 상태로 흥분시켰다. 하지만 문제가 있었다. 이 신호를 생성한 레이저 주파수는 파이온 질량에 대한 최적의 사용 가능한 값에서 계산했을 때 예상 공진 주파수보다 0.04% 더 컸다. 연구원들은 청색 이동이 액체 헬륨 안에 있는 원자들 사이의 충돌 때문이라고 생각한다. 파이온 질량의 정밀한 측정은 그들이 그 효과를 더 잘 다룰 때까지 기다려야 할 것이다. 그들의 계획: 액체 헬륨 목표물을 기체 헬륨으로 바꾼 다음, 기체 밀도의 함수로 공명 이동을 측정한다.