Чи гравітація впливає на кожен тип частинок однаково? Дослідники з ETH Zurich та Інституту Пауля Шеррера (PSI) у Віллінгені готують експеримент, який зможе перевірити цю фундаментальну гіпотезу за допомогою однієї з найбільш незвичайних частинок природи.
«Ми зробили важливий крок у проведенні цікавого експерименту на цю тему, — каже професор фізики, — ми хочемо виміряти гравітаційну взаємодію мюонів».
Звична речовина, з якої складаються люди, планети і майже все, що нас оточує, складається з протонів, нейтронів і електронів. Фізики відносять ці частинки до першого покоління матерії. Є також два додаткових покоління більш важких частинок. Одним із них є мюон, більш важкий родич електрона другого покоління.
Дослідники PSI можуть створювати мюони та їхні античастинки за допомогою великого прискорювача частинок. Коли позитивно заряджена сурма з’єднується з негативно зарядженим електроном, пара утворює нейтральний атом, відомий як мюон.
Чому фізики хочуть перевірити мюони?
Стандартна модель фізики елементарних частинок описує ці різні покоління частинок, але не пояснює, чому природа взагалі має кілька поколінь.
«Але ми, фізики, досі не розуміємо, чому ці додаткові покоління взагалі існують», — каже Сотер. — А чому всього 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 звичайної матерії об’єкти падають з однаковою швидкістю в одне й те саме місце в полі тяжіння. Галілео Галілей та Ісаак Ньютон визнали цю універсальність вільного падіння кілька століть тому. Пізніше він став центральним у теорії гравітації Альберта Ейнштейна завдяки принципу еквівалентності, який пов’язує гравітаційну масу з інертною масою.
Але поки що дослідники продемонстрували цей принцип лише зі звичайною матерією або антиматерією першого покоління. Вимірювання того, як матерія поводиться під дією гравітації, забезпечить перший тест із частинкою другого покоління.
«Екзотичний іон дуже підходить для цього, оскільки він є нейтральним атомом», — пояснює Сотер. «Зрештою, щоб впасти, потрібно щось нейтральне».
Нейтральність важлива, оскільки сила тяжіння настільки слабка порівняно з електромагнетизмом. Якщо дослідники спробують провести експерименти із зарядженими частинками, відсутні електромагнітні поля можуть нівелювати гравітаційні ефекти, які вони намагаються створити.
Муоні створює ще одну велику перешкоду. Мюони живуть лише приблизно 2,2 мікросекунди перед розпадом. Попередні методи також створювали мюонні атоми, які рухалися з різними швидкостями та напрямками, що робило їх непридатними для надзвичайно точних вимірювань сили тяжіння.
Зараз дослідники PSI знайшли вирішення цієї проблеми.
«Ми змогли створити мюонні атоми в «холодному» стані, що зробило можливим гравітаційний експеримент», — каже Сотер. «У цьому випадку «холодний» означає, що атоми поширюються з однаковою швидкістю, приблизно паралельно один одному».
Надлишок рідкого гелію створює контрольований пучок монію
Група описує новий метод виробництва моніуму Фізика природи.
«Щоб досягти цього, ми використовували перегрітий гелій, який був охолоджений до мінус 273 градусів за Цельсієм», — сказав Джессі Чжан, провідний автор дослідження. “Надплинний гелій – це те, що відомо як квантова рідина, в якій окремі атоми гелію втрачають свою індивідуальність і не терпить ніяких домішок всередині себе”.
Процес починається з направлення сурми з прискорювача PSI в тонкий шар надплинного гелію. Усередині гелію частинки сповільнюються. Коли сурма стикається з вільним електроном, вони утворюють атоми сурми з позитивним хімічним потенціалом.
Цей хімічний потенціал ефективно витягує новоутворений атом із рідини. Коли він досягає його поверхні, хімічний потенціал перетворюється на кінетичну енергію та штовхає атом іона, спрямовуючи його вертикально вгору.
«Тож ми використовуємо хімічний потенціал як атомну гармату», — каже Чжан.
Ковалентні атоми повинні проходити через квантову рідину без зіткнень і з передбачуваною швидкістю. Тривалість їх життя настільки коротка, що будь-яка значна затримка не дозволить їм досягти поверхні до того, як розпадуться.
«Для наших експериментів ми також покладаємося на прискорювач частинок PSI, який виробляє найінтенсивніші та стійкі пучки мюонів у світі», — каже Сотер. «Завдяки цьому високоякісному джерелу можна виробляти багато атомів монію».
Спостерігайте за зміною сили тяжіння атомного зразка
Зараз дослідники створюють інструмент, відомий як інтерферометр, щоб вимірювати, як гравітація Землі впливає на відбите світло.
Пристрій використовує хвильові властивості атомів для створення інтерференційної картини. Гравітаційне тяжіння Землі має викликати дуже незначні зміни в цій формі. Вимірювання зміщення дозволяє дослідникам визначити, як сила тяжіння діє на мюон.
«Ми сподіваємося, що цього року вперше зможемо випробувати цей метод за допомогою атомного променя, і якщо все піде добре, справжній гравітаційний експеримент має відбутися через два-три роки», — сказав Сотер.
Нове світло може також дозволити більш точні експерименти лазерної спектроскопії з іонними сполуками. Ці вимірювання можуть покращити розуміння вченими маси та фундаментальних фізичних констант, що є ще однією довгостроковою метою дослідницької групи.
Чи може експеримент виявити п’яту силу?
Якщо речовина реагує на гравітацію інакше, ніж звичайна речовина, наслідки можуть бути глибокими.
«Це було б справді дивно, і на додаток до інших теорій, це могло б вказувати на існування п’ятої сили», — зазначає Сотер.
Сучасна фізика визнає чотири взаємодії: гравітацію, електромагнетизм, сильну взаємодію та слабку взаємодію. Вчені неодноразово припускали можливість існування додаткової п’ятої сили, але ця сила ніколи не була підтверджена.
Відкриття одного не є головною метою експерименту Сотера. Безпосередня мета важливіша: визначити, чи справедливий один із центральних принципів Ейнштейна для різних поколінь частинок.
«Я повністю відкритий», — каже він. «Я просто хочу вперше виміряти, чи рівність гравітаційної та інерційної мас також застосовується до другого покоління частинок — це дуже надихає».
Це дослідження підтримується Національним центром передових досліджень Муанівор.
