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Pionisches Helium: Forscher lassen Pionen um Atomkerne kreisen

Normalerweise kreisen Elektronen um die Atomkerne. Nicht so in diesem exotischen Helium: Physikern ist es tatsächlich gelungen, ein extrem kurzlebiges Pion einzuschmuggeln.
Pionisches Helium (künstlerische Darstellung)

Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching ist es gelungen, Atome pionischen Heliums herzustellen und zu vermessen. Normale Heliumatome bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen im Kern, um den zwei Elektronen kreisen. Bei pionischem Helium ist eines der Elektronen durch ein negativ geladenes Pion ersetzt.

Wie das Team um Masaki Hori dabei vorgegangen ist, erklärt die Gruppe in der aktuellen Ausgabe von »Nature«. Das Experiment fand am Schweizer Paul-Scherrer-Institut statt, das über die stärkste Pionenquelle der Welt verfügt. Hori und Kollegen kühlten dort Helium auf rund zwei Kelvin, also knapp über dem absoluten Nullpunkt ab, und beschossen es in diesem superflüssigen Zustand mit den Pionen. In seltenen Fällen wird dabei ein Elektron aus dem Atom verdrängt, und das Pion nimmt seinen Platz ein.

Ablauf des Experiments | Von links nach rechts: Ein Pion trifft auf ein Heliumatom und ersetzt eines seiner beiden Elektronen. Das Ergebnis ist ein pionisches Heliumatom, in dem das Pion 1000-mal länger lebt als sonst. Durch einen Laserstrahl wird es angeregt und zerfällt in der Folge.

Mit Hilfe eines Laserstrahls regten die Forscher die pionischen Heliumatome an, wodurch auch noch das verbliebene Elektron aus dem Atom geschleudert wird. Das Pion, das zuvor noch auf einer sehr energiereichen Bahn um den Kern kreiste, gerät dadurch auf eine Bahn niedrigerer Energie – so nah am Kern, dass dieser schließlich zerfällt. Die dabei freigesetzten Kern-Bruchstücke fingen die Forscher als Erfolgsnachweis auf.

Pionen sind extrem kurzlebige subatomare Teilchen. In Isolation zerfallen sie bereits nach nur 26 Nanosekunden, als Bestandteil eines exotischen Atoms schrumpfe diese Lebensdauer normalerweise sogar auf Pikosekunden, also den billionsten Teil einer Sekunde, schreibt Niels Madsen von der Swansea University in einem begleitenden Kommentar in »Nature«. Die Eigenschaften des Heliums verlängern die Lebensdauer der Pionen allerdings so weit, dass die Erzeugung und anschließende Anregung mit dem Laser möglich war. Herauszufinden, bei welcher exakten Frequenz diese Anregung mit dem nur 0,8 Nanosekunden langen Laserpuls zum Erfolg führt, war eine der großen Schwierigkeiten bei der Durchführung des Experiments, an dem die Forscher insgesamt acht Jahre arbeiteten.

Exotische Atome helfen, grundlegende Eigenschaften der Materie genauer zu erforschen. So ermittelten Wissenschaftler mit Hilfe von künstlichen Atomen aus Protonen und Myonen, welchen Radius das Proton hat. Dabei kamen sie auf einen verblüffend kleineren Wert als Messungen an konventionellen Atomen – und stürzten die Physik in die »Protonkrise«.

Mit Hilfe des pionischen Heliums könnte sich beispielsweise die Masse des negativen Pions um den Faktor 10 bis 100 genauer bestimmen lassen, schreibt Madsen. Pionen gehören zur Teilchenfamilie der Mesonen, bestehen also aus nur zwei Quarks; sie vermitteln die starke Wechselwirkung, die die Teilchen im Inneren eines Atomkerns zusammenhält.

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