Átomos exóticos nos quais os elétrons são substituídos por outras partículas subatômicas da mesma carga permitem insights profundos sobre o mundo quântico. Após oito anos de pesquisas contínuas, um grupo liderado por Masaki Hori, físico sênior do Instituto Max Planck de Óptica Quântica em Garching, Alemanha, agora obteve sucesso em um experimento desafiador:em um átomo de hélio, eles substituíram um elétron por um píon em um estado quântico específico e verificaram a existência desse "hélio piônico" de longa duração pela primeira vez. O píon geralmente de vida curta poderia, portanto, existir 1000 vezes mais do que normalmente existiria em outras variedades de matéria. Os píons pertencem a uma importante família de partículas que determinam a estabilidade e decadência dos núcleos atômicos. O átomo de hélio piônico permite aos cientistas estudar píons de uma maneira extremamente precisa usando espectroscopia a laser. A pesquisa está publicada na edição desta semana da Natureza .

Por oito anos, o grupo trabalhou neste experimento desafiador, que tem potencial para estabelecer um novo campo de pesquisa. A equipe demonstrou experimentalmente pela primeira vez que átomos de hélio piônico de vida longa realmente existem. “É uma forma de reação química que acontece automaticamente, "explica Hori. O átomo exótico foi teoricamente previsto pela primeira vez em 1964, depois que experimentos na época apontaram para sua existência. No entanto, foi considerado extremamente difícil verificar esta previsão experimentalmente. Usualmente, em um átomo, o píon de vida extremamente curta se decompõe rapidamente. Contudo, em hélio piônico, ele pode ser conservado em certo sentido, de modo que vive 1000 vezes mais do que normalmente faz em outros átomos.

A "arma fumegante"

O desafio com o qual a equipe lutou por oito anos foi provar que esse átomo de hélio piônico existe em um tanque cheio de água extremamente fria, superfluido hélio. No átomo de hélio, o píon se comporta como um elétron muito pesado. Ele só pode pular entre estados quânticos discretos, como subir degraus em uma escada. A equipe precisava encontrar um estado de vida longa e um salto quântico muito especial que pudesse excitar com um laser e que chutasse o píon para o núcleo de hélio e destruísse o átomo. Em seguida, a equipe pode detectar os detritos da divisão do núcleo como uma "arma fumegante" (veja a figura). Contudo, os teóricos não podiam prever exatamente em qual comprimento de onda da luz ocorreria o salto quântico. Então, a equipe teve que instalar três sistemas complexos de laser, um após o outro, até que tivessem sucesso.

"Este sucesso abre caminhos completamente novos para investigar píons com os métodos da óptica quântica, "Hori diz. Os pesquisadores usaram espectroscopia a laser, uma das ferramentas mais precisas da física. Os píons em estados quânticos podem, portanto, ser estudados com muito mais precisão do que nunca.

Uma nova janela para o cosmos quântico

O píon pertence à família de partículas dos chamados mésons. Os mésons medeiam a força forte entre os blocos de construção dos núcleos atômicos, nêutrons e prótons. Embora prótons com a mesma carga elétrica se repelam violentamente, a força nuclear mais forte os une para formar o núcleo atômico. Sem esta força, nosso mundo não existiria. Os mésons são fundamentalmente diferentes dos prótons e nêutrons, que são cada um composto de três quarks, enquanto os mésons consistem em apenas dois quarks.

O experimento usou a fonte de píons mais poderosa do mundo, localizado em PSI. Como o risco de falha era muito alto e ocorreram inúmeras falhas ao longo do caminho, o grupo precisava do apoio de longo prazo do PSI e da Max Planck Society (MPG). O PSI forneceu tempo de feixe com píons, os grupos técnicos do CERN forneceram uma parte importante do equipamento, e o MPG forneceu um ambiente favorável à pesquisa de longa data. O projeto foi financiado por uma bolsa ERC (European Research Council).

O Dr. Hori espera que sua pesquisa abra uma nova janela para o cosmos quântico de partículas e forças.