走进奇异原子世界，它为何能引发新的物理学，甚至促使能源突破？自然界中的原子只包含三种亚

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自然界中的原子只包含三种亚原子粒子：质子、中子和电子，但物理学家们现在正在利用其他种类的亚原子粒子创造奇异原子（ exotic atoms），以了解它们是如何运作的。
我们倾向于认为原子像不同种类的小球，但它们更像小型机器。每个原子的运作方式都有些不同。为了更好地了解它们是如何运转的，将原子中的某个部分替换掉，看看有什么变化。研究人员已经发现，有时关于原子如何运转的传统模型是错误的。
对奇异原子的间接研究可以追溯到20世纪50年代的早期同步加速器和氦气泡室（Bubble Chamber）。这些实验的测量结果非常不精确，只能确认它们的存在，但逐渐地，方法得到了改进，并导致对各种不能长期存在的原子进行越来越精确的实验。
到目前为止， K介子（kaon）、π介子（pion）、μ介子（muon）、反质子（antiproton）和西格玛超子原子（sigma hyperon atoms）都已经用X射线进行了观测。这种被称为X射线荧光光谱分析技术允许测量原子中的状态转换，但是，激光光谱学的直接合成和检测一直是比较困难的，因为激光光谱学要精确得多。
2010年，德国加兴的马克斯-普朗克量子光学研究所（MPQ）的Randolf Pohl和其他人创造了μ介子氢，其中一个μ介子代替了电子。利用激光，他们能够计算出质子的电荷半径，这对已知值提出了挑战。μ介子是像电子一样的轻子，具有相同的-1电荷和1/2自旋，并且没有亚结构，因此创造μ介子原子并不太困难。
对这些奇异原子的测量使我们能够研究原子物理的许多方面，并以高精度验证标准模型的预测。理解强相互作用是这里的一个主要动机，它开启了我们对相互作用强度、质量、磁矩、原子的核属性、放射性衰变和粒子-核相互作用等基础科学的理解，并在核聚变方面有应用。
最近，物理学家们用π介子创造了更多的奇异原子， π介子是由夸克和反夸克组成的介子。这要困难得多，因为当你向物质发射一束π介子时，会产生大量的新粒子。为了克服这个问题，研究人员从石墨中制造出π介子，并将光束定向到超冷超流氦-4上，创造出了π介子氦！
在1935年发现中子之后，人们预测了像π介子这样的介子。该粒子被预测为比电子质量大200倍。1947年，首次从宇宙射线中探测到带电的π介子，其质量和预测的大致相同。同年，原子物理学的两位巨头费米和泰勒都预测，通过用重的带负电荷的介子取代电子，可以形成奇异原子。
孤立地看，一个π介子仅在26纳秒（一秒的十亿分之一）内衰变为一个μ介子和一个反中子。因此，这使得研究变得非常困难，但与试图用一个π介子制造一个原子时发生的情况相比，这不算什么。在这种情况下，原子会在不到一皮秒（一万亿分之一秒）的时间内衰变，并且π介子被吸收到原子核中。如果在氦原子中放置一个稳定的结构， π介子氦是“亚稳态的” ，这意味着它持续的时间更长（10几纳秒）。另一个电子（氦有两个电子和两个质子）使原子保持稳定的时间更长，即使该原子与其他氦原子发生碰撞。
这种较长的寿命使得π介子氦气适合使用亚纳秒级的激光脉冲进行激光光谱分析，这使得科学家们能够窥探这种奇异原子的特性。激光引发了裂变过程，引起了一个电磁级联，使π介子撞向原子核，而裂变的产物：中子、质子和氘核，表明激光击中了一个π介子型氦气原子。