Egy újfajta egzotikus atomot, úgynevezett pionos héliumot sikerült létrehozni és tanulmányozni az Európai Nukleáris Kutatási Szervezetben (CERN) folyó ASACUSA együttműködés keretében. A méréssel kapcsolatos eredményekről elsőként a Nature című tudományos folyóiratban megjelent tanulmányban számoltak be. A cikk szerzői között két magyar kutató is van: Barna Dániel, a Wigner Fizikai Kutatóközpont dolgozója és Sótér Anna, az ETH Zürich munkatársa. Mindez áttörésnek számít, mert ennek az egzotikus atomnak a létezését korábban ugyan már feltételezték, ám azt mind ez idáig nem sikerült igazolni. Az új atom keletkezését lézer segítségével észlelték a Zürich közelében fekvő Paul Scherrer Intézetben (PSI).

A CERN 1999 óta üzemeltet egy olyan mérőrendszert, amelyet „antianyaggyár” néven emlegetnek. Ott sikerült első ízben antianyagatomokat előállítani, és pontos spektroszkópiai méréseket végezni rajtuk. Az antianyaggyár egyik projektje a japán kutatók által vezetett ASACUSA együttműködés, amelynek alapításában osztrák, német és olasz kutatócsoportokkal együtt magyar csoport is részt vett a Wigner FK, illetve a debreceni Atomki részéről. „A kísérlet sikerei között sok elsőként felfedezett jelenséget és vizsgálatot jegyeznek, többek között annak megmutatását, hogy a töltésük előjelén kívül a protonnak és antirészecskéjének, az antiprotonnak valamennyi tulajdonsága hihetetlenül pontosan egyezik” – olvasható Horváth Dezső, a Wigner FK kutatójának az új eredményt bemutató írásában. Horváth Dezső az ASACUSA alapításakor került a kísérlethez, és sok évig dolgozott benne.

Két évtizede zajlanak olyan mérések, amelyeket egy hosszú élettartamú egzotikus atomon végeztek, amely három részecskéből áll: héliumatommagból, elektronból és egy antiprotonból – azaz a hélium egyik elektronját helyettesítették negatív töltésű antiprotonnal. A hideg atomban finoman hangolható lézerrel léptették az antiprotont viszonylag stabil, illetve bomlékony állapotok között. A kutatókban nemrégiben az merült fel, hogy vajon elő lehet-e állítani egy újfajta egzotikus atomot negatív pionok segítségével. Az ASACUSA kísérlet egyik vezetője, Hori Maszaki megszervezte, hogy mérőberendezést építsenek a CERN-ben, majd átszállítsák azt a Zürich közelében fekvő Paul Scherrer Intézetbe (PSI), ahol a világ legnagyobb kapacitású pionforrása működik. A kísérlet célja az volt, hogy az antiprotonokhoz hasonlóan a pion tömegét is sokkal pontosabban lehessen megmérni, mint eddig. A fő nehézséget azonban a pion rövid élettartama jelentette: az ugyanis – a stabil antiprotonnal ellentétben – 26 nanoszekundum alatt elbomlik. A kísérlethez mágneses mezővel olyan céltárgyba vezették a negatív pionokat, amely az abszolút nulla hőmérséklet közeléig hűtött, szuperfolyékony állapotba került héliumot tartalmazott.

A vizsgálat lényege, hogy piont juttatnak héliumatomba, ahol az helyettesíti az egyik elektront. Ezt követően lézerrel gerjesztik a létrejött pionos héliumatomot, amelynek hatására az atommag elnyeli a piont, majd alkotóelemeire hasad. A pionos héliumatom keletkezését hangolható lézer segítségével sikerült észlelni: egy bizonyos frekvenciánál a pion rezonanciaszerűen elnyelődött a héliumatommagban, majd felrobbantotta azt, vagyis a maghasadáshoz hasonlóan kisebb alkatrészekre bontotta. A kísérletben a héliumatommagból kiszabadult protont, neutront és deuteront (proton és neutron kötött állapotát) észlelték.

A kutatók célja most az, hogy pontosítsák az észlelt lézerátmenet mérését a pion tömegének meghatározása érdekében. Számításaik szerint ezzel a módszerrel mintegy százszorosára növelhető a jelenlegi pontosság, ez pedig érzékeny ellenőrzése lehet a részecskefizika elméletének, az úgynevezett Standard Modellnek.