負電荷の中間子を物質中で静止させると，原子核の周囲を回る電子と置き換わり中間子原子が生成する.レーザー分光法を用いて中間子原子の遷移周波数を測定し，量子電磁力学(QED)計算 による理論値と比較すれば，中間子の質量などの諸性質を従来よりも高い精度で決定できるはずである.また，中間子に作用し得るような標準模型を超える第五の力の上限値を求めることがで きると考えられる.特に準安定パイ中間子ヘリウム原子(π⁴He⁺ ≡ ⁴He²⁺ + π⁻ + e⁻)[1–9] は，ヘ リウム原子核の周りを 1s 軌道の電子と，主量子数 n 17 及び軌道角運動量量子数 l ≈ n − 1 を有 する負パイ中間子が回る原子である.この原子は液体ヘリウム標的中でも 7 ns 程度という異常に長い寿命を持つため，レーザー分光測定の対象となり得る.我々はスイスのポール・シェラー研究所(PSI)に設置されたリングサイクロトロン加速器においてこの原子を従来に比べ大量に合成し，そのレーザー共鳴線を測定した [7].こうして量子光学の手法を用いて原子軌道を回る中間子を制御することに初めて成功した.

物質の結晶化は新規物質合成の基礎となるテーマであり，そのダイナミクスを原子スケールかつ実時間で理解することは重要である.我々は X 線自由電子レーザーを用いた単粒子 X 線回折を Xe クラスタービームに適用し，生成直後の Xe クラスターの構造を観測することに成功した.単粒子 X 線回折によって一つ一つのクラスターの構造を解析することで，Xe クラスターでの結晶化が積 層欠陥を含む準安定相を経由して進行することを示唆する結果を得た.本研究は，XFEL の単粒子 X 線回折が持つ高い時間分解能が，構造変化を伴う非平衡過程のダイナミクス研究に強力な手法となることを示している.