雷射束照射π介子氦原子的藝術抽象圖。來自Thorsten Naeser，Dennis Luck,，MPQ
奇異原子是指普通原子的一個或多個組分被奇異粒子（如反物質粒子）所取代的原子。基於世界上最精確計時器原子鐘的技術對這些原子進行探測，可以尋找它們的性質與模型預測的性質之間的任何微小差異，從而打開了物理學基礎的一扇窗戶。人們對奇異原子的興趣源於這樣一個事實，即它們通常有助於物理學中最基本的實驗策略：改變其他複雜系統中的單個參數或成分，以觀察其效果。實際上，這並不像看上去那麼簡單。不同的粒子可以有不同的質量或電荷，並可能以其他微妙的方式與周圍環境發生不同的相互作用，然而這些微妙之處往往增加了奇異原子的價值。隨著研究奇異原子所需技術的改進，越來越多的科學家通過研究這些原子探討自然界的基本性質。奇異原子作為基礎物理探針的一個重要特點是，它們是具有多個內能態的束縛系統（需要能量將其組成拉開）。因此，這些狀態之間的轉換可以通過雷射光譜學進行研究，
雷射光譜學是物理學工具箱中最精確的測量工具。原子躍遷的研究，特別是氫原子躍遷的研究，是一項持續了兩個多世紀的工作。例如，它啟發了Niels Bohr在二十世紀早期開創性的原子模型，並推動了量子力學的許多發展。1947年，Cecil Powell和他的同事們發現了π介子，但在1935年，Hideki Yukawa就首次預言了π介子的存在。它們屬於被稱為介子的亞原子粒子家族，介子傳遞原子核、中子和質子之間的強大作用力。儘管具有相同電荷的質子彼此強烈排斥，但較強的核力將它們結合在一起形成原子核。沒有這種力量，我們的世界就不會存在。介子與質子和中子有根本的不同，質子和中子都由三個夸克組成，而介子只由兩個夸克組成。
π介子是一種短壽命粒子，具有正電性、負電性和中性等多種形式，是決定原子核穩定性和衰變的一類重要粒子。1964年，在當時的一些實驗中，人們已經從理論上預言了π介子氦原子的存在。然而，人們認為很難通過實驗驗證這一預測。通常，在一個原子中，壽命極短的π原子衰變得更快。然而，在π介子氦中，它在某種意義上是守恆的，所以它的壽命是其他原子的一千倍。經過八年的持續研究，來自
德國馬克斯普朗克量子光學研究所的資深物理學家Masaki Hori領導的小組成功地完成了一項具有挑戰性的實驗：在氦原子中，他們用一個
處於特定量子態的π介子取代了一個電子，
合成了π4He+，並在183760千兆赫茲的近紅外共振頻率下激發了π-佔據的π4He+軌道的躍遷（n，l）=（17，16）（17，15）。雷射引發電磁串聯過程，以原子核吸收π-並經歷裂變結束。對產生的中子、質子和氘核碎片的探測表明原子中存在雷射誘導共振，首次證實了這種長壽命的「π介子氦」的存在。這項工作使得
利用量子光學的實驗技術來研究介子成為可能。這項研究以「Laser spectroscopy of pionic helium atoms」為題發表
Nature上。研究者利用590MeV環形回旋加速器提供的帶負電的π介子，用磁鐵將它們聚焦到含有超流體氦的目標上，製備了π介子氦原子。實驗中，氦靶被冷卻到大約2K的低溫，使得一些π介子被捕獲在π介子氦的弱束縛態，其中π介子離原子核足夠遠，可以被剩餘的電子屏蔽（圖1）。因此，產生的奇異原子保留了納秒級的壽命，這一壽命足以讓雷射脈衝激發出新生的奇異原子。圖1 如何製備和激發π介子氦。Hori等向液氦發射了一束負電性的亞原子粒子，稱為π介子。當π介子撞擊氦原子時，可以擊出其中一個電子，並在氦原子核（由兩個質子和兩個中子組成）周圍的高能級軌道上取代它，形成一個奇異原子，稱為π介子氦。作者向這些奇異原子發射雷射，從而觀察到π介子向低能級軌道的轉變，這一過程觸發了剩餘電子的噴射。這種噴射加速了π介子被原子核吸收（未顯示），原子核最終分裂。接下來，為了確認這些原子確實已經被創造出來及研究它們如何吸收光並與光產生共振，研究人員向目標發射不同頻率的雷射，並尋找π介子在其主體原子的不同能級之間進行量子躍遷的實例。經過不同雷射頻率的反覆試驗，他們能夠識別特定的跳躍。據預測，這一躍遷將導致氦原子核對π介子的吸收，隨後氦原子核分裂成一個質子、一個中子和一個由質子和中子組成的複合粒子。研究者用一系列粒子探測器探測到這些碎片，從而
證實了π介子確實已經發生躍遷。π介子躍遷是通過從實驗數據中仔細去除大的「背景」信號來探測的；這個背景與π介子氦的短壽命態得到裂變產物有關，或者是由π介子束本身產生的。這使得每小時只有三個躍遷的π介子氦原子發出信號，或者估計每十億個產生的奇異原子中有三個發出信號。儘管數量極低，但雷射誘導的躍遷信號仍能被清楚地探測到，並且可以以大約5位有效數字的絕對精度來確定發生躍遷的雷射頻率（以及與躍遷能量變化相對應的頻率）。用於產生和探測質子π介子氦原子的實驗裝置。π介子從右側進入，雷射束從左側進入。Masaki Hori「對含有介子的奇異原子的雷射光譜測量可用於高精度地確定組成介子的質量和其他性質，並對涉及介子的可能的新力做出限制。」Masaki Hori博士在接受採訪時表示：「對於我們研究中使用的介子，即最輕的介子之一，我們也許最終能夠以高於一億分之一的精度確定它的質量。」「這將比迄今為止所達到的精度高出100倍，並將允許與標準模型預測進行精確比較。」八年來，該小組致力於這項具有挑戰性的開創性實驗，這項實驗將有可能建立一個新的研究領域。這是一場科學馬拉松，由馬克斯·普朗克量子光學研究所、瑞士保羅謝勒研究所（PSI）和歐洲粒子物理實驗室CERN之間的國際合作促成。實驗使用了世界上最強大的位於PSI的π介子源。由於實驗失敗的風險非常高，實驗過程遇到了很多失敗，該小組得到了PSI和馬克斯普朗克協會（MPG）的長期支持。PSI為π介子提供了束流時間，CERN的技術組提供了設備的重要組成部分，MPG提供了長期研究的有利環境。該項目由歐洲研究理事會（ERC）資助。下一步，研究者的目標是提高識別躍遷的精度，並搜索其他躍遷，以期利用它們測量π介子的質量並測試標準模型。「這一成功為採用量子光學方法研究π介子開闢了全新的途徑，」Hori博士高興地說。https://www.mpq.mpg.de/en/2020-05-pionic-heliumhttp://www.sci-news.com/physics/pionic-helium-08423.htmlhttps://www.nature.com/articles/s41586-020-2240-xhttps://www.nature.com/articles/d41586-020-01250-7聲明：僅代表作者個人觀點，作者水平有限，如有不科學之處，請在下方留言指正！
---納米纖維素找北方世紀---
微信加群：
「高分子科學前沿」匯集了20萬高分子領域的專家學者、研究/研發人員。我們組建了80餘個綜合交流群（包括：教師群、企業高管群、碩士博士群、北美、歐洲等），專業交流群（塑料、橡塑彈性體、纖維、塗層黏合劑、油墨、凝膠、生物醫用高分子、高分子合成、膜材料、石墨烯、納米材料、表徵技術、車用高分子、發泡、聚醯亞胺、抗菌、仿生、腫瘤治療）。
添加主編為好友（微信號：MaterialsFrontiers，請備註：名字-單位-職稱-研究方向）或長按二維碼添加小編為好友，邀請入群。
添加 小編 微信（務必備註：名字-單位-職稱-研究方向）
邀請您入討論群
（ 微信二維碼 掃碼添加）
我們的微博：高分子科學前沿，歡迎和我們互動。
我們的QQ交流群：451749996（務必備註：名字-單位-研究方向）
投稿 薦稿 合作：editor@polysci.cn