Un átomo exótico es un átomo normal en el que una o más partículas subatómicas han sido reemplazadas por otras partículas de la misma carga . Por ejemplo, los electrones pueden ser reemplazados por otras partículas cargadas negativamente, como muones (átomos muónicos) o piones (átomos piónicos). [1] [2] Debido a que estas partículas sustitutas suelen ser inestables, los átomos exóticos suelen tener tiempos de vida muy cortos y ningún átomo exótico observado hasta ahora puede persistir en condiciones normales.
En un átomo muónico (anteriormente llamado átomo mu-mésico , ahora conocido como 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 sólo son sensibles a fuerzas débiles , electromagnéticas y gravitacionales , los átomos muónicos se rigen con una precisión muy alta por la interacción electromagnética.
Dado que 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 de las tasas de transición de los estados excitados al estado fundamental , proporciona 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 se acorta la vida útil del muón de 2,2 μs a sólo 0,08 μs. [4]
El hidrógeno muónico es como el hidrógeno normal, en el que el electrón es reemplazado por un muón negativo, es decir, un protón orbitado por un muón. Es importante para abordar el enigma del radio de los protones .
El símbolo 4.1 H (Hidrógeno-4.1) se ha utilizado para describir el átomo exótico de helio muónico ( 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 que1/200El radio orbital del electrón (debido a la relación de masas), el muón puede considerarse parte del núcleo. El átomo entonces tiene un núcleo con dos protones, dos neutrones y un muón, con carga nuclear total +1 (de dos protones y un muón) y sólo un electrón afuera, de modo que efectivamente es 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. Como sólo 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 posibles hadrones incluyen mesones como el pión o kaón , que producen un átomo piónico [9] o un átomo caónico (ver Hidrógeno caónico ), llamados colectivamente átomos mesónicos ; antiprotones , produciendo un átomo antiprotónico ; y elΣ−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 caónico , proporcionan así sondas experimentales de la teoría de las interacciones fuertes, la cromodinámica cuántica . [13]
Un onio (plural: onia ) es el estado unido de una partícula y su antipartícula. El onio clásico es el positronio , que consta de un electrón y un positrón unidos en un estado metaestable , con una vida útil relativamente larga de 142 ns en el estado triplete. [14] El positronio se ha 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 unido de dos piones con cargas opuestas , es útil para explorar la interacción fuerte . Esto también debería ser cierto para el protonio , que es un estado unido protón-antiprotón. Comprender los estados unidos de pionio y 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 unido de dos kaones con cargas opuestas, aún no se ha observado experimentalmente.
Sin embargo, los verdaderos análogos del positronio en la teoría de las interacciones fuertes no son átomos exóticos, sino ciertos mesones , los estados de quarkonio , que están formados por un quark pesado como el quark charm o bottom y su antiquark. ( Los quarks superiores son tan pesados que se desintegran debido a 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 reticular son pruebas cada vez más importantes de la cromodinámica cuántica .
Muonio , a pesar de su nombre, no es un estado de onio que contenga un muón y un antimuón, porque la IUPAC asignó ese nombre al sistema de un antimuón unido con un electrón. Sin embargo, se ha teorizado sobre la producción de un estado unido muón-antimuón, que es un onio (llamado muonio verdadero ). [15] Lo mismo se aplica al exótico átomo QED de ditauonio (o "verdadero tauonio") . [dieciséis]
Los átomos pueden estar compuestos de electrones que orbitan alrededor de un hipernúcleo que incluye partículas extrañas llamadas hiperones . Estos átomos hipernucleares generalmente se estudian por su comportamiento nuclear, cayendo en el ámbito de la física nuclear más que de 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.
"Molécula exótica" también puede referirse a una molécula que tiene alguna otra propiedad poco común, como un dicado de hexametilbenceno piramidal y un átomo de Rydberg .