Átomo exótico

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Un átomo exótico es un átomo por lo demás normal en el que una o más partículas subatómicas han sido sustituidas por otras partículas de la misma carga . Por ejemplo, los electrones pueden ser sustituidos por otras partículas con carga negativa, como los muones (átomos muónicos) o los piones (átomos piónicos). ^{[1] [2]} Debido a que estas partículas sustitutas suelen ser inestables, los átomos exóticos suelen tener vidas medias muy cortas y ningún átomo exótico observado hasta ahora puede persistir en condiciones normales.

En un átomo muónico (anteriormente llamado átomo mumésico , ahora conocido por ser un nombre inapropiado ya que los muones no son mesones ), ^[3] un electrón es reemplazado por un muón, que, como el electrón, es un leptón . Dado que los leptones solo son sensibles a fuerzas débiles , electromagnéticas y gravitacionales , los átomos muónicos están gobernados con una precisión muy alta por la interacción electromagnética.

Como un muón es más masivo que un electrón, las órbitas de Bohr están más cerca del núcleo en un átomo muónico que en un átomo ordinario, y las correcciones debidas a la electrodinámica cuántica son más importantes. Por lo tanto, el estudio de los niveles de energía de los átomos muónicos , así como las tasas de transición de los estados excitados al estado fundamental , proporcionan pruebas experimentales de la electrodinámica cuántica.

La fusión catalizada por muones es una aplicación técnica de los átomos muónicos.

Se pueden formar otros átomos muónicos cuando los muones negativos interactúan con la materia ordinaria. ^[4] El muón en los átomos muónicos puede desintegrarse o ser capturado por un protón. La captura de muones es muy importante en los átomos muónicos más pesados, por lo que acorta la vida del muón de 2,2 μs a solo 0,08 μs. ^[4]

El hidrógeno muónico es como el hidrógeno normal, pero el electrón es reemplazado por un muón negativo (es decir, un protón orbitado por un muón). Es importante para resolver el problema del radio del protón .

El símbolo ^4.1 H (hidrógeno-4.1) se ha utilizado para describir el exótico átomo muónico helio ( ⁴ He-μ), que es como el helio-4 al tener dos protones y dos neutrones . ^[5] Sin embargo, uno de sus electrones es reemplazado por un muón , que también tiene carga -1. Debido a que el radio orbital del muón es menor que ⁠1/200º⁠ El radio orbital del electrón (debido a la relación de masas), el muón puede considerarse como parte del núcleo. El átomo tiene entonces un núcleo con dos protones, dos neutrones y un muón, con carga nuclear total +1 (de dos protones y un muón) y solo un electrón afuera, de modo que es efectivamente un isótopo de hidrógeno en lugar de un isótopo de helio. El peso de un muón es aproximadamente 0,1 Da , por lo que la masa isotópica es 4,1. Dado que solo hay un electrón fuera del núcleo, el átomo de hidrógeno-4,1 puede reaccionar con otros átomos. Su comportamiento químico se comporta más como un átomo de hidrógeno que como un átomo de helio inerte. ^{[5] [6] [7]}

Un átomo hadrónico es un átomo en el que uno o más de los electrones orbitales son reemplazados por un hadrón cargado negativamente . ^[8] Los hadrones posibles incluyen mesones como el pión o el kaón , que producen un átomo piónico ^[9] o un átomo kaónico (ver Hidrógeno kaónico ), llamados colectivamente átomos mesónicos ; antiprotones , que producen un átomo antiprotónico ; y
Σ⁻
partícula, produciendo una
Σ⁻
o átomo sigmaónico . ^{[10] [11] [12]}

A diferencia de los leptones, los hadrones pueden interactuar a través de la fuerza fuerte , por lo que los orbitales de los átomos hadrónicos están influenciados por las fuerzas nucleares entre el núcleo y el hadrón. Dado que la fuerza fuerte es una interacción de corto alcance, estos efectos son más fuertes si el orbital atómico involucrado está cerca del núcleo, cuando los niveles de energía involucrados pueden ampliarse o desaparecer debido a la absorción del hadrón por el núcleo. ^{[2] [11]} Los átomos hadrónicos, como el hidrógeno piónico y el hidrógeno kaónico , proporcionan así sondas experimentales de la teoría de las interacciones fuertes, la cromodinámica cuántica . ^[13]

Un onio (plural: onia ) es el estado ligado de una partícula y su antipartícula. El onio clásico es el positronio , que consiste en un electrón y un positrón unidos entre sí como un estado metaestable , con una vida útil relativamente larga de 142 ns en el estado triplete. ^[14] El positronio ha sido estudiado desde la década de 1950 para comprender los estados ligados en la teoría cuántica de campos. Un desarrollo reciente llamado electrodinámica cuántica no relativista (NRQED) utilizó este sistema como campo de pruebas.

El pionio , un estado ligado de dos piones con carga opuesta , es útil para explorar la interacción fuerte . Esto también debería ser cierto para el protonio , que es un estado ligado protón-antiprotón. Comprender los estados ligados del pionio y el protonio es importante para aclarar nociones relacionadas con hadrones exóticos como las moléculas mesónicas y los estados de pentaquark . El kaonio , que es un estado ligado de dos kaones con carga opuesta, aún no se ha observado experimentalmente.

Los verdaderos análogos del positronio en la teoría de interacciones fuertes, sin embargo, no son átomos exóticos sino ciertos mesones , los estados quarkonium , que están hechos de un quark pesado como el quark charm o bottom y su antiquark. ( Los quarks top son tan pesados ​​que se desintegran a través de la fuerza débil antes de que puedan formar estados ligados.) La exploración de estos estados a través de la cromodinámica cuántica no relativista (NRQCD) y la QCD en red son pruebas cada vez más importantes de la cromodinámica cuántica .

El muonio , a pesar de su nombre, no es un estado onio que contiene un muón y un antimuón, porque la IUPAC asignó ese nombre al sistema de un antimuón unido a un electrón. Sin embargo, se ha teorizado la producción de un estado unido muón-antimuón, que es un onio (llamado muonio verdadero ). ^[15] Lo mismo se aplica al átomo exótico QED ditauonio (o "tauonio verdadero") . ^[16]

Los átomos pueden estar compuestos de electrones que orbitan alrededor de un hipernúcleo que incluye partículas extrañas llamadas hiperones . Estos átomos hipernucleares se estudian generalmente por su comportamiento nuclear, y pertenecen al ámbito de la física nuclear más que a la física atómica .

En los sistemas de materia condensada , específicamente en algunos semiconductores , existen estados llamados excitones , que son estados ligados de un electrón y un hueco de electrón .

Una molécula exótica contiene uno o más átomos exóticos.

• Di-positronio , dos átomos de positronio unidos
• Hidruro de positronio , un átomo de positronio unido a un átomo de hidrógeno.

"Molécula exótica" también puede referirse a una molécula que tiene alguna otra propiedad poco común, como un dicatión de hexametilbenceno piramidal y un átomo de Rydberg .