エキゾチックな原子

エキゾチック原子とは、1つ以上の亜原子粒子が同じ電荷を持つ他の粒子に置き換えられた、それ以外は正常な原子である。例えば、電子はミューオン（ミューオン原子）やパイオン（パイオン原子）などの他の負に帯電した粒子に置き換えられることがある。 ^{[1] [2]}これらの代替粒子は通常不安定であるため、エキゾチック原子の寿命は通常非常に短く、これまで観測されたエキゾチック原子は通常の条件下では存続できない。

ミューオン原子（以前はミューメシック原子と呼ばれていましたが、ミューオンは中間子ではないため、現在では誤った名称であることがわかっています）^[3]では、電子がミューオンに置き換えられており、ミューオンは電子と同様にレプトンです。レプトンは弱い力、電磁力、重力にのみ敏感であるため、ミューオン原子は電磁相互作用によって非常に高い精度で制御されます。

ミューオンは電子よりも質量が大きいため、ミューオン原子のボーア軌道は通常の原子よりも原子核に近く、量子電気力学による補正がより重要になります。したがって、ミューオン原子のエネルギーレベルと励起状態から基底状態への遷移速度の研究は、量子電気力学の実験的テストを提供します。

ミューオン触媒核融合はミューオン原子の技術的応用です。

他のミューオン原子は、負のミューオンが通常の物質と相互作用することで形成される。^[4]ミューオン原子内のミューオンは崩壊するか、陽子に捕獲される。ミューオン捕獲は重いミューオン原子では非常に重要であり、ミューオンの寿命を2.2μsからわずか0.08μsに短縮する。^[4]

ミューオン水素は、通常の水素の電子が負のミューオンに置き換えられたもので、ミューオンが陽子の周りを回っている状態です。これは陽子半径の謎を解く上で重要です。

記号^{4.1 H（水素4.1）は、}ヘリウム4と同様に陽子2個と中性子2個を持つ異種原子ミューオンヘリウム（⁴ He-μ）を表すために使われてきた。^[5]しかし、その電子の1つは、電荷-1を持つミューオンに置き換えられている。ミューオンの軌道半径は⁠より小さいため、1/200番目⁠電子の軌道半径（質量比による）の 1/2 を超えると、ミューオンは原子核の一部とみなすことができます。原子核には 2 つの陽子、2 つの中性子、1 つのミューオンがあり、原子核の総電荷は +1（2 つの陽子と 1 つのミューオンから）で、外側には電子が 1 つしかないため、実質的にはヘリウムの同位体ではなく水素の同位体になります。ミューオンの重さは約 0.1 Daなので、同位体質量は 4.1 です。原子核の外側には電子が 1 つしかないため、水素 4.1 原子は他の原子と反応できます。その化学的挙動は、不活性なヘリウム原子というよりも水素原子に似ています。^{[5] [6] [7]}

ハドロン原子は、1つ以上の軌道電子が負に帯電したハドロンに置き換えられた原子である。^[8]ハドロンには、中間子、例えばパイ中間子やカ中間子（パイ中間子原子^[9]またはカ中間子原子（カ中間子水素を参照）を生成する）（総称して中間子原子と呼ばれる） 、反陽子（反陽子原子を生成する）、および
Σ⁻
粒子が生成され、
Σ⁻
またはシグマノ原子。^{[10] [11] [12]}

レプトンとは異なり、ハドロンは強い力を介して相互作用するため、ハドロン原子の軌道は原子核とハドロンの間の核力の影響を受ける。強い力は短距離相互作用であるため、関与する原子軌道が原子核に近い場合にこれらの効果は最も強くなり、関与するエネルギーレベルはハドロンが原子核に吸収されるために広がったり消えたりする可能性がある。^{[2] [11]そのため、パイ中間子水素やカ}中間子水素などのハドロン原子は、強い相互作用の理論である量子色力学の実験的プローブとなる。^[13]

オニウム（複数形：オニア）は、粒子とその反粒子の結合状態です。古典的なオニウムはポジトロニウムで、電子と陽電子が準安定状態として結合したもので、三重項状態での寿命は142ナノ秒と比較的長いです。^{[14]ポジトロニウムは、量子場の理論における結合状態を理解するために1950年代から研究されてきました。}非相対論的量子電磁力学（NRQED）と呼ばれる最近の開発では、このシステムを実証の場として使用しました。

2 つの反対電荷を持つパイ中間子の束縛状態であるパイオニウムは、強い相互作用を調査するのに役立ちます。これは、陽子と反陽子の束縛状態であるプロトニウムにも当てはまるはずです。パイオニウムとプロトニウムの束縛状態を理解することは、中間子分子やペンタクォーク状態などのエキゾチックハドロンに関連する概念を明確にするために重要です。2つの反対電荷を持つ K 中間子の束縛状態であるカオニウムは、まだ実験的に観測されていません。

しかし、強い相互作用の理論におけるポジトロニウムの真の類似物は、エキゾチックな原子ではなく、チャームクォークやボトムクォークなどの重いクォークとその反クォークで構成される特定の中間子、クォーコニウム状態です。（トップクォークは非常に重いため、束縛状態を形成する前に弱い力によって崩壊します。）非相対論的量子色力学（NRQCD）と格子QCDによるこれらの状態の探究は、量子色力学のますます重要なテストとなっています。

ミューオニウムは、その名前にもかかわらず、ミューオンと反ミューオンを含むオニウム状態ではありません。なぜなら、IUPACは電子と結合した反ミューオンの系にその名前を割り当てたからです。しかし、ミューオンと反ミューオンの結合状態、つまりオニウム（真のミューオニウムと呼ばれる）の生成は理論化されています。^[15]同じことが、ジタウオニウム（または「真のタウオニウム」）というエキゾチックなQED原子にも当てはまります。^[16]

原子は、ハイペロンと呼ばれる奇妙な粒子を含む超核の周りを回る電子で構成されている可能性があります。このような超核原子は、一般にその核の挙動について研究されており、原子物理学ではなく原子核物理学の領域に属します。

凝縮系、特に一部の半導体では、電子と電子正孔の束縛状態である励起子と呼ばれる状態が存在します。

エキゾチック分子には 1 つ以上のエキゾチック原子が含まれます。

• ジポジトロニウム、結合した2つのポジトロニウム原子
• ポジトロニウム水素化物、水素原子に結合したポジトロニウム原子

「エキゾチック分子」は、ピラミッド型ヘキサメチルベンゼンジカチオンやリュードベリ原子など、他の珍しい特性を持つ分子を指すこともあります。