Падает ли экзотическая материя так же, как обычная?

Ученые из ETH Zurich и Института Пауля Шеррера (PSI) под руководством профессора Анны Зотер впервые получили холодный пучок атомов мюония — экзотических атомов, состоящих из антимюона и электрона. Это достижение открывает путь к прямому измерению гравитационного поведения частиц второго поколения. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics.

Вопрос о том, все ли тела падают одинаково, кажется простым только на первый взгляд. Еще Галилео Галилей и Исаак Ньютон заметили, что в поле тяготения любые предметы, от пушинки до камня, должны падать с одинаковым ускорением. Этот принцип, названный принципом эквивалентности, лег в основу теории гравитации Альберта Эйнштейна. Однако до сих пор его проверяли лишь на обычной материи и на антиматерии первого поколения. А что если более тяжелые «родственники» привычных частиц ведут себя иначе? Именно этот вопрос не дает покоя физикам, ведь никто до конца не понимает, зачем природе понадобились три поколения частиц, если для построения всего видимого мира хватило бы и одного.

Мюон это, по сути, потяжелевший брат электрона. Он относится ко второму поколению частиц и живет всего 2,2 микросекунды, после чего распадается. Если к положительно заряженному антимюону присоединить обычный электрон, получится нейтральный атом мюония, в 9 раз легче атома водорода.

Именно нейтральность делает его идеальным кандидатом для гравитационных экспериментов: заряженную частицу слишком легко сбить с пути электрическими и магнитными полями, а нейтральный атом эти поля почти не трогают. Но есть загвоздка: мюоний распадается так быстро, что за это время нужно успеть не только создать атом, но и аккуратно измерить, как он падает. Раньше мюонии разлетались в разные стороны с разными скоростями, и о точных измерениях не могло быть и речи.

Прорыв произошел, когда исследователи научились получать мюоний в «холодном» состоянии. Слово «холодный» здесь означает не привычную нам прохладу, а то, что атомы движутся почти параллельно друг другу и с близкими скоростями, именно это и позволяет ставить точные опыты. Для этого ученые использовали сверхтекучий гелий, охлажденный почти до абсолютного нуля, то есть до минус 273 градусов Цельсия.

В такой квантовой жидкости отдельные атомы гелия теряют свою индивидуальность, и любая примесь в ней выглядит чужеродно. Антимюоны, разогнанные на ускорителе PSI, попадают в тонкий слой этого гелия и замедляются. Там антимюон встречает свободный электрон, образуется мюоний, и химический потенциал буквально выталкивает новорожденный атом на поверхность жидкости, придавая ему ускорение.

Ученые сравнивают этот механизм с атомной пушкой, которая выстреливает мюонии вертикально вверх. Главное, чтобы атомы успели вылететь, не столкнувшись с другими частицами, иначе за свои микросекунды они просто не доберутся до поверхности.

Следующий шаг — измерить, как гравитация влияет на этот пучок. Для этого ученые строят интерферометр, который использует волновые свойства атомов. Мюонии, пролетая через прибор, создают интерференционную картину, и крошечный сдвиг этой картины под действием земного притяжения позволит понять, падает ли экзотический атом так же, как обычная материя.

Анна Зотер надеется, что первый тест метода состоится уже в этом году, а полноценный гравитационный эксперимент через два-три года. Если окажется, что мюоний падает иначе, это станет сигналом о существовании пятой фундаментальной силы, о которой физики говорят давно, но пока не нашли ни одного доказательства.

Главный итог работы не ответ на вопрос о гравитации, а создание инструмента, который в принципе позволяет этот вопрос задать. Впервые удалось получить холодный, почти параллельный пучок атомов мюония, живущих всего микросекунды, и показать, что с ним можно работать настолько точно, чтобы планировать гравитационные измерения. Это открывает дорогу не только к проверке принципа эквивалентности для второго поколения частиц, но и к новым экспериментам в лазерной спектроскопии, которые позволят уточнить массу мюона и фундаментальные константы. Так что даже если гравитация окажется одинаково благосклонна ко всем поколениям материи, сам метод уже можно считать серьезным шагом вперед.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях