Чи гравітація впливає на всі типи частинок однаково? Дослідники з ETH Zurich та Інституту Пауля Шеррера (PSI) у Біллігені готують експеримент, який міг би перевірити це основне припущення за допомогою однієї з найбільш незвичайних природних частинок.

«Ми зробили важливий крок до проведення захоплюючого експерименту на цю тему. Ми хочемо виміряти гравітаційну взаємодію мюонів», — каже професор фізики.

Звичні матеріали, з яких складаються люди, планети і майже все, що нас оточує, складаються з протонів, нейтронів і електронів. Фізики відносять ці частинки до першого покоління матерії. Є також два додаткових покоління, що складаються з більш важких частинок. Одним із них є мюон, важчий родич електрона другого покоління.

Дослідники PSI можуть використовувати великі прискорювачі частинок для виробництва мюонів та їх античастинок. Коли позитивно заряджений антимюон поєднується з негативно зарядженим електроном, пара утворює нейтральний атом, відомий як мюоній.

Чому фізики хочуть експериментувати з мюонами

Стандартна модель фізики елементарних частинок пояснює ці різні покоління частинок, але вона не пояснює, чому в природі взагалі існує кілька поколінь.

«Але ми, фізики, досі не розуміємо, чому ці додаткові покоління взагалі існують», — каже Соутер. «То чому їх три?»

Ця таємниця породжує ще одне важливе питання. Чи реагують більш важкі частинки другого і третього поколінь на гравітацію точно так само, як легші частинки першого покоління?

Перевірка принципу еквівалентності Ейнштейна

Для нормальної матерії об’єкти, що знаходяться в однаковому положенні в полі тяжіння, падають з однаковою швидкістю. Галілео Галілей та Ісаак Ньютон визнали цю універсальність вільного падіння кілька століть тому. Пізніше він став центральним у теорії гравітації Альберта Ейнштейна через принцип еквівалентності, який поєднує гравітаційну та інертну маси.

Але поки що дослідники продемонстрували цей принцип лише у звичайній матерії або антиматерії першого покоління. Вимірювання того, як мюоній поводиться під дією гравітації, може забезпечити перші тести для частинок другого покоління.

«Екзотичний мюоній є нейтральним атомом, тому він дуже підходить для цього. Зрештою, вам потрібно щось нейтральне, щоб щось впало», — пояснює Соутер.

Гравітація дуже слабка в порівнянні з електромагнетизмом, тому нейтралітет важливий. Коли дослідники намагаються проводити експерименти із зарядженими частинками, розсіяні електромагнітні поля можуть перевищити гравітаційні ефекти, які вони намагаються виявити.

Мюоній має ще одну серйозну перешкоду. Мюони живуть лише близько 2,2 мікросекунди перед розпадом. Попередні методи також створювали атоми мюонію, що рухалися з різними швидкостями та в різних напрямках, що робило їх погано придатними для високоточних вимірювань сили тяжіння.

Дослідники PSI тепер знайшли спосіб обійти цю проблему.

«Ми змогли створити атоми мюонію в «холодному» стані, що зробило експерименти з гравітацією можливими в першу чергу», — говорить Соутер. «У цьому випадку «холодний» означає, що атоми поширюються майже паралельно один одному та з однаковими швидкостями».

Надплинний гелій створює керований пучок мюонію

Дослідницька група описує новий метод виробництва мюонію. природна фізика.

«Щоб досягти цього, ми використовували надплинний гелій, охолоджений майже до абсолютного нуля при мінус 273 градусах Цельсія», — пояснює Джессі Чжан, провідний автор дослідження. «Надплинний гелій відомий як квантова рідина і не дозволяє окремим атомам гелію втрачати свою ідентичність і містити в собі домішки».

Процес починається з направлення антимюонів з прискорювача PSI в тонкий шар надплинного гелію. Частинки сповільнюються в гелії. Коли антимюон стикається з вільним електроном, вони утворюють атом мюонію з позитивним хімічним потенціалом.

Цей хімічний потенціал ефективно виштовхує новоутворені атоми з рідини. Опинившись на поверхні, хімічний потенціал перетворюється на кінетичну енергію, надаючи атомам мюонію імпульс і спрямовуючи їх вертикально вгору.

«Тож ми використовуємо хімічний потенціал як атомну гармату», — пояснює Чжан.

Атоми мюонію повинні проходити через квантову рідину з передбачуваною швидкістю без зіткнень. Тривалість їх життя настільки мала, що будь-яка значна затримка не дозволить їм досягти поверхні до того, як вони розпадуться.

«У наших експериментах також використовується прискорювач частинок PSI, який виробляє найпотужніший у світі безперервний пучок мюонів», — каже Соутер. «Завдяки цьому високоякісному джерелу ми можемо виробляти дуже велику кількість атомів мюонію».

Спостерігайте за змінами в структурі атомів під дією сили тяжіння

Наразі дослідники створюють інструмент, відомий як інтерферометр, щоб виміряти, як гравітація Землі впливає на промінь мюонію.

Цей пристрій використовує хвильові властивості атомів для створення інтерференційних картин. Гравітаційне тяжіння Землі повинно спричинити надзвичайно незначні зміни в цій картині. Вимірюючи зміщення, дослідники можуть визначити, як сила тяжіння діє на мюон.

«Ми сподіваємося, що цього року вперше зможемо випробувати цей метод за допомогою атомного пучка. Якщо все піде добре, справжні експерименти з гравітацією мають відбутися в найближчі два-три роки», — сказав Соутер.

Новий промінь також може дозволити більш точні експерименти лазерної спектроскопії з мюонієм. Ці вимірювання можуть покращити розуміння вченими маси мюона та фундаментальних фізичних констант, що є ще однією довгостроковою метою дослідницької групи.

Чи можливо, що цей експеримент виявить п’яту силу?

Якщо мюоній реагує на гравітацію інакше, ніж звичайна матерія, наслідки можуть бути серйозними.

«Це, звичайно, дивно і може вказувати на існування п’ятої сили, на додаток до інших теорій», — підкреслює Соутер.

Сучасна фізика визнає чотири фундаментальні взаємодії: гравітацію, електромагнетизм, сильну взаємодію та слабку взаємодію. Вчені неодноразово припускали можливість існування додаткової п’ятої сили, але жодна така сила не була підтверджена.

Їх виявлення не є основною метою експерименту Сортера. Найближчою метою є щось більш фундаментальне: визначити, чи справедливий один із центральних принципів Ейнштейна для різних поколінь частинок.

«Я абсолютно відкрита», — каже вона. «Я просто хочу вперше виміряти, чи еквівалентність гравітаційної маси та інертної маси також застосовується до частинок другого покоління. Одне це дуже захоплююче дослідження».

Це дослідження було підтримано Національним центром компетенції в дослідженнях. Мюовсесвіт.