Exotische Atome

Alsexotische AtomewerdenatomähnlichegebundeneTeilchenbezeichnet, bei denen wenigstens eines der beteiligten Teilchen kein gewöhnlicher Atom-Bestandteil ist, also keinProton,NeutronoderElektron.

Typen

Die wichtigsten exotischen Atome sind:

• Ersatz einesHüllen-Elektrons$e\!\,$durch ein negativ geladenes Teilchen:
  • Myonische Atomemit einemMyon$\mu ^{-}\!\,$.Das Myon befindet sich wegen seiner hohenMassesehr nahe amAtomkern.Spektroskopievon myonischen Atomen ermöglicht daher Untersuchungen der Kernstruktur.
  • Pionische und kaonische Atomemit einemPion$\pi ^{-}$oderKaon$K^{-}$(beidesMesonen). Simpelstes Beispiel istmesonischerWasserstoffaus einem Proton und einem Pion oder Kaon. Pion und Kaon befinden sich aufgrund ihrer noch größeren Masse noch näher am Atomkern als das Myon der myonischen Atome. Anders als Elektronen wechselwirken Pionen und Kaonen, da sie Mesonen sind, nicht nur über dieelektromagnetische,sondern auch über die anziehende oder abstoßendestarke Wechselwirkungmit denNukleonendes Atomkerns. So lassen sich an pionischen und kaonischen Atomen Parameter dieser Wechselwirkung messen.
  • Protonium,auchNukleoniumaus einem Proton und einemAntiproton$p^{-}\!\,$.Protonium weist einen extrem kleinen Radius auf und wurde bereits experimentell nachgewiesen. Auch andere leichte Atome (Helium, Lithium) mit einem Antiproton anstelle eines Elektrons („antiprotonisch “) sind prinzipiell möglich.
• Ersatz eines Protons$p\!\,$oder Neutrons$n\!\,$im Atomkern durch ein anderes Teilchen:
  • PositroniumundMyonium:an die Stelle des Atomkerns tritt einPositron$e^{+}\!\,$beziehungsweise einAntimyon$\mu ^{+}\!\,$.Positronium und Myonium bestehen ausschließlich ausLeptonen.Weil diese nach heutigem Kenntnisstand strukturlos, also gewissermaßen „punktförmig “sind, eignen sich Positronium und Myonium besonders zur hochgenauen Untersuchung der elektromagnetischen Wechselwirkung und zur Messung fundamentalerNaturkonstanten.
  • Atome mitHyperkernen:im Atomkern befinden sich ein oder mehrereHyperonen.
• Ersatz von Teilchen sowohl in der Hülle als auch im Kern:
  • Antimaterie,in der jeder Atom-Bestandteil durch sein entgegengesetzt geladenesAntiteilchenersetzt ist. Ein Beispiel istAntiwasserstoff,bestehend aus einem Antiproton im Kern und einem Positron in der Hülle.
  • Myonische, pionische, kaonische und protonische Antimaterie:Antimaterie, bei der zusätzlich ein Hüllen-Positron durch ein positiv geladenes Anti-Myon$\mu ^{+}\!\,$,-Pion$\pi ^{+}\!\,$,-Kaon$K^{+}\!\,$oder durch ein Proton ersetzt ist.
  • Atome aus zwei Mesonen, insbesondere aus zwei Pionen oder einem Pion und einem Kaon

Eigenschaften

Bis auf die Antiatome wie beispielsweise das Antiwasserstoff-Atom sind alle genannten exotischen Atomeinstabilund kurzlebig. Auch Antiatome sind nur stabil, solange sie nicht in Kontakt mit gewöhnlicher Materie kommen, da sie sonst zerstrahlen (Annihilation).

Vorkommen

In der Natur kommen Positronium, Myonium und myonische Atome als Folgeprodukte derHöhenstrahlungin sehr geringen Mengen vor, ebenso wie pionische oder kaonische Atome, die jedoch noch viel kürzer leben. Auf der Erde können die exotischen Atome, auch Antiwasserstoff-Atome, mittelsTeilchenbeschleunigerngenügend hoher Strahlenergie erzeugt werden.

Erforschung

Die Untersuchung von Antiwasserstoff-Atomen im europäischen ForschungszentrumCERNsoll einen präzisen Test derSymmetrievonMaterieund Antimaterie vorbereiten. Geplant sind solche Experimente mit höherer Genauigkeit beimGSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschungin Darmstadt.

Quellen

• Rudolf Gross:Physik IV, Vorlesungsskript SS 2003.(PDF 1,52 MB) März 2003,abgerufen am 13. Dezember 2009.

Weblinks

• Paul Kienle,Stefan Meyer:Exotische Atome: Rosen aus dem Blumengarten der subatomaren Physik.(pdf; 3,2 MB) Österreichische Akademie der Wissenschaften,abgerufen am 8. Juli 2016(Vortragsfolien).
• Exotische Atome.In:LEIFIphysik.Joachim Herz StiftungLEIFI,19. Juni 2018,abgerufen am 19. Juni 2018.