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CIENCIA. Los piones forman un nuevo tipo de helio

Helio piónico: en este experimento, un pión, que se muestra aquí con una partícula naranja y una azul que representan su quark y anti-quark, reemplaza uno de los dos electrones en el átomo de helio. Este nuevo átomo metaestable se excita con luz láser (se muestra aquí en rojo) para probar sus propiedades. (Cortesía: Instituto Max Planck de Óptica Cuántica / Thorsten Naeser)

La capacidad de hacer átomos artificiales que contienen partículas exóticas en lugar de electrones les está dando a los físicos una nueva forma de explorar interacciones fundamentales. Ahora los investigadores han creado un nuevo tipo de átomo de helio en el que uno de los electrones es reemplazado por una partícula subatómica conocida como piónEl trabajo podría arrojar luz sobre la naturaleza de los piones y los neutrinos, pequeñas partículas neutras para las que ciertos atributos, incluida la masa, siguen siendo relativamente poco conocidos.
Entre las partículas utilizadas anteriormente para hacer estos átomos inusuales se encuentra el muón, que es aproximadamente 200 veces más masivo que el electrón pero que, por lo demás, tiene propiedades idénticas. En 2010, Randolf Pohl y sus colegas del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica  (MPQ) en Garching, Alemania, realizaron mediciones espectroscópicas en hidrógeno muónicoUtilizaron sus datos con gran efecto, calculando un valor para el radio de carga del protón que estaba completamente en desacuerdo con el valor aceptado en ese momento y obligando a otros grupos a tratar de resolver la discrepancia.
Crear átomos que contienen piones es más difícil. Los piones son mesones, lo que significa que consisten en un quark y un anti-quark unidos. Cuando se dispara a alta velocidad hacia un objetivo denso, algunos de ellos formarán átomos. Pero también crean muchas partículas de fondo, lo que dificulta la selección de los átomos. Además, los átomos piónicos, como los propios piones, tienen vidas muy cortas, lo que ha dificultado excitarlos con un rayo láser y medir sus frecuencias de transición internas.


Átomos de larga vida
Masaki Hori , también en el MPQ, y sus colegas ahora han superado esta barrera creando átomos de helio piónico relativamente longevos. En un experimento en el Instituto Paul Scherrer en Suiza, utilizaron un haz intenso de protones para generar piones negativos en una diana de carbono donde luego colisionaron los piones con átomos de helio-4 superfluido.
La mayoría de los piones entrantes chocan directamente contra un núcleo de helio, lo que hace que el helio se divida en un protón, neutrón y deuterón dentro de un picosegundo ( 10-12 s). Pero aproximadamente el 2% logra desplazar uno de los dos electrones de helio y entrar en una órbita débilmente unida alrededor del núcleo. Los piones unidos mantienen esta órbita durante varios nanosegundos (10 -9 s), ya que están protegidos de los efectos de las colisiones térmicas con otros átomos tanto por el electrón restante como por el objetivo muy frío, que se mantiene a solo un par de grados por encima cero absoluto.
Dejados a sus propios dispositivos, los átomos de helio piónico eventualmente se dividirán y generarán productos de fisión que pueden ser recogidos por detectores ubicados alrededor del objetivo. El problema es que la señal de estos productos de fisión se ve inundada por la señal de los nucleones creados por el 98% restante de los piones entrantes. Los piones llegan en pulsos cada 20 ns, gracias a la frecuencia de 50 MHz de las cavidades del acelerador, y producen grandes picos en los recuentos de detectores. Por el contrario, las desintegraciones espontáneas de los átomos piónicos metaestables producen un fondo liso no observable.

Equipo experimental usado para sistetizar átomos de helio piónico en el Paul Scherrer Institute. Fuente: ASACUSA Collaboration, CERN.

Medición de frecuencia de transición
Aquí es donde entra la espectroscopía láser. Como informan en Nature , Hori y sus colegas sincronizaron un láser infrarrojo con el haz de piones para que dispare un pulso de luz de 0.8 n de longitud aproximadamente a la mitad de cada pulso sucesivo de piones. Esto hace que algunos de los piones en sus respectivos núcleos caigan a una órbita más baja y expulsen el electrón restante, lo que hacen en unos pocos picosegundos, antes de estrellarse en el núcleo. Aunque este proceso produce solo tres átomos piónicos por hora por encima del fondo, eso es suficiente para registrar un pico significativo en el recuento del detector.
Al escanear la frecuencia de su rayo láser, los investigadores establecieron que la transición que estaban estudiando ocurrió a 183 760 GHz. Señalan que la precisión de esta medición está limitada por las muchas colisiones con átomos de helio, cada una de las cuales desplaza ligeramente la frecuencia y la resonancia atómica amplia pero fácil de identificar que utilizaron. Esperan eventualmente usar su experimento para establecer un nuevo valor más preciso para la masa del pión negativo (actualmente conocido con solo seis decimales), y proponen tanto reducir el objetivo como estudiar transiciones atómicas con anchos de línea más estrechos.

Un pion reemplaza a uno de los dos electrones en un átomo normal de helio para formar el helio piónico. Fuente:  ASACUSA Collaboration, CERN.

Mejorando la precisión de la masa
En un comentario escrito para acompañar la investigación, Niels Madsen, de la Universidad de Swansea en el Reino Unido, señala que el grupo de Hori ha logrado previamente una precisión récord para la relación de masa antiprotón a electrón al reemplazar un electrón en un átomo de helio con un antiprotón. Sin embargo, dice que mejorar la precisión de la masa de piones negativos será más difícil, en parte porque una menor densidad de helio significa menos señal. Sin embargo, argumenta que, con persistencia, la precisión podría mejorar en un factor de 10–100. "El experimento, por lo tanto, allana el camino a nuevas ideas sobre los componentes fundamentales de la naturaleza", escribe.
Hori señala que apuntalar la masa del pión también podría reducir el límite superior actual de los físicos de partículas en la masa del antineutrino muónico, dado que los piones se descomponen en muones (cuya masa es muy conocida) y neutrinos. "La masa de neutrinos muónicos se puede estimar por métodos indirectos con mucha más precisión", dice. "Pero siempre es bueno tener una determinación directa de laboratorio".
El helio piónico está aquí 
Un átomo de helio en el que uno de los dos electrones ha sido reemplazado por un pión negativo, una partícula compuesta hecha de un quark y un antiquark. Los átomos exóticos pueden ayudar a los físicos a realizar mediciones exquisitamente precisas de las constantes fundamentales de la naturaleza, como el tamaño del protón. El helio piónico podría proporcionar una medición directa de la masa de una partícula fundamental relacionada, el neutrino. Eso se ha estimado indirectamente, dice el físico Masaki Hori, pero "siempre es bueno tener una determinación directa de laboratorio". El helio piónico es la última incorporación a un zoológico de átomos exóticos, que incluyen positronio, muonio, hidrógeno muónico, deuterio muónico y antihidrógeno. Sin embargo, todavía no hay cristales de dilitio.
Fuentes: 
Pions form a new kind of helium. https://physicsworld.com/ ; https://www.sciencedirect.com/topics/physics-and-astronomy/pions ; M. Hori et al. 2020. Laser spectroscopy of pionic helium atoms. Nature 581, 37-41; doi: 10.1038/s41586-020-2240-x

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