Les atomes exotiques dans lesquels les électrons sont remplacés par d'autres particules subatomiques de la même charge permettent une compréhension approfondie du monde quantique. Après huit années de recherche continue, un groupe dirigé par Masaki Hori, physicien senior à l'Institut Max Planck d'optique quantique à Garching, Allemagne, a maintenant réussi une expérience difficile :dans un atome d'hélium, ils ont remplacé un électron par un pion dans un état quantique spécifique et ont vérifié pour la toute première fois l'existence de cet « hélium pionique » à longue durée de vie. Le pion habituellement de courte durée pourrait ainsi exister 1000 fois plus longtemps qu'il ne le ferait normalement dans d'autres variétés de matière. Les pions appartiennent à une importante famille de particules qui déterminent la stabilité et la désintégration des noyaux atomiques. L'atome d'hélium pionique permet aux scientifiques d'étudier les pions de manière extrêmement précise grâce à la spectroscopie laser. La recherche est publiée dans l'édition de cette semaine de La nature .

Pendant huit ans, le groupe a travaillé sur cette expérience difficile, qui a le potentiel d'établir un nouveau domaine de recherche. L'équipe a démontré expérimentalement pour la première fois que les atomes d'hélium pionique à longue durée de vie existent réellement. "C'est une forme de réaction chimique qui se produit automatiquement, " explique Hori. L'atome exotique a été théoriquement prédit pour la première fois en 1964 après que des expériences à l'époque indiquaient son existence. Cependant, il a été considéré comme extrêmement difficile de vérifier cette prédiction expérimentalement. D'habitude, dans un atome, le pion à durée de vie extrêmement courte se désintègre rapidement. Cependant, dans l'hélium pionique, il peut être conservé dans un sens de sorte qu'il vit 1000 fois plus longtemps qu'il ne le fait normalement dans d'autres atomes.

Le "fusil fumant"

Le défi avec lequel l'équipe s'est battue pendant huit ans était de prouver qu'un tel atome d'hélium pionique existe dans un réservoir rempli de froid extrêmement, hélium superfluide. Dans l'atome d'hélium, le pion se comporte comme un électron très lourd. Il ne peut que sauter entre des états quantiques discrets, comme monter les marches d'une échelle. L'équipe devait trouver un état à longue durée de vie et un saut quantique très spécial qu'ils pourraient exciter avec un laser et qui propulseraient le pion dans le noyau d'hélium et détruiraient l'atome. Ensuite, l'équipe a pu détecter les débris de la rupture du noyau comme un "pistolet fumant" (voir figure). Cependant, les théoriciens ne pouvaient pas prédire exactement à quelle longueur d'onde de la lumière le saut quantique se produirait. L'équipe a donc dû installer trois systèmes laser complexes, l'un après l'autre, jusqu'à ce qu'ils réussissent.

"Ce succès ouvre des voies complètement nouvelles pour étudier les pions avec les méthodes de l'optique quantique, " dit Hori. Les chercheurs ont utilisé la spectroscopie laser, l'un des outils les plus précis de la physique. Les pions dans les états quantiques peuvent ainsi être étudiés avec beaucoup plus de précision que jamais.

Une nouvelle fenêtre sur le cosmos quantique

Le pion appartient à la famille des particules des mésons. Les mésons assurent la médiation de la force puissante entre les éléments constitutifs des noyaux atomiques, neutrons et protons. Bien que les protons avec la même charge électrique se repoussent violemment, la force nucléaire plus forte les lie ensemble pour former le noyau atomique. Sans cette force, notre monde n'existerait pas. Les mésons sont fondamentalement différents des protons et des neutrons, qui sont chacun constitués de trois quarks, alors que les mésons ne sont constitués que de deux quarks.

L'expérience a utilisé la source de pions la plus puissante au monde, situé au PSI. Étant donné que le risque d'échec était très élevé et qu'il y avait eu de nombreux échecs en cours de route, le groupe avait besoin du soutien à long terme du PSI et de la Max Planck Society (MPG). Le PSI a fourni le temps de faisceau avec des pions, les groupes techniques du CERN ont fourni une partie importante des équipements, et le MPG a fourni un environnement propice à la recherche à long terme. Le projet a été financé par une bourse ERC (European Research Council).

Le Dr Hori espère que ses recherches ouvriront une nouvelle fenêtre sur le cosmos quantique des particules et des forces.