Физики из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) и Института Пауля Шеррера (PSI) в Филлигене создали управляемый пучок мюония — необычного атома, состоящего из электрона и антимюона. Об этом сообщает SciTechDaily. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Physics. Достижение устраняет серьёзное препятствие на пути к измерению воздействия гравитации на более тяжёлого родственника частиц, из которых состоит обычная материя.
Обычное вещество включает электроны и атомные ядра из протонов и нейтронов. Электроны и кварки в составе протонов и нейтронов относятся к первому поколению элементарных частиц. Природа располагает ещё двумя, более тяжёлыми поколениями, и мюон является представителем второго поколения — аналогом электрона. «Но мы, физики, до сих пор не понимаем, зачем эти дополнительные поколения вообще существуют, — говорит руководитель исследования, профессор физики Анна Зотер. — И почему их в общей сложности три?»
Стандартная модель описывает эту «родословную» частиц, но не объясняет причину существования трёх поколений. Когда сопротивление воздуха и другие внешние силы исключены, обычные объекты падают с одинаковой скоростью в одном и том же гравитационном поле независимо от их массы и состава. Этот принцип универсальности свободного падения, связанный с именами Галилео Галилея и Исаака Ньютона, лежит в основе эйнштейновской теории гравитации. Он связывает гравитационную массу, определяющую реакцию объекта на притяжение, с инертной массой, определяющей сопротивление ускорению. Прямые проверки до сих пор касались обычной материи или антиматерии первого поколения, а мюоний позволяет выяснить, сохраняется ли эта связь для частицы второго поколения.
В PSI ускоритель производит мюоны и их античастицы. Когда положительно заряженный антимюон соединяется с отрицательно заряженным электроном, их заряды взаимно компенсируются, образуя нейтральный мюоний. Хотя атом содержит электрон, основная часть его массы приходится на гораздо более тяжёлый антимюон. «Экзотический мюоний очень хорошо подходит для этого, потому что это нейтральный атом, — поясняет Зотер. — Ведь чтобы заставить что-то падать, нужно что-то нейтральное». Заряженные частицы тоже реагируют на гравитацию, но электромагнитные силы от посторонних полей могут подавить её гораздо более слабый эффект. Исследователи вынуждены работать в чрезвычайно коротком временном окне: мюоны распадаются в среднем всего за 2,2 микросекунды. Прежние источники мюония усугубляли проблему, выпуская атомы в разных направлениях и с сильно различающимися скоростями, что затрудняло точное измерение их движения.
«Нам удалось получить атомы мюония в „холодном“ состоянии, что как раз и делает эксперимент с гравитацией возможным в принципе, — говорит Зотер. — В данном случае „холодный“ означает, что атомы движутся с близкими скоростями, почти параллельно друг другу». Чтобы создать такой упорядоченный пучок, команда использовала сверхтекучий гелий. «Для этого мы применили сверхтекучий гелий, охлаждённый почти до абсолютного нуля — до минус 273 градусов Цельсия», — рассказывает ведущий автор исследования Джесси Чжан. «Сверхтекучий гелий — это так называемая квантовая жидкость, в которой отдельные атомы гелия теряют свою индивидуальность и которая не терпит никаких примесей», — объясняет Чжан. Антимюоны, попадая в тонкий слой этой жидкости, замедляются и могут захватывать свободные электроны, образуя мюоний. Возникающие атомы обладают положительным химическим потенциалом, то есть оставаться внутри гелия энергетически невыгодно. Когда атом достигает поверхности, эта энергия превращается в движение, выбрасывая его вертикально из жидкости. «Так что мы используем химический потенциал как атомную пушку», — говорит Чжан. Гелий также позволяет мюонию двигаться к поверхности с характерной скоростью без столкновений, которые могли бы его рассеять. Это критически важно для атомов, чьи антимюоны распадаются так быстро. «В наших экспериментах мы также опираемся на ускоритель частиц PSI, который генерирует самые интенсивные в мире непрерывные пучки мюонов, — отмечает Зотер. — Благодаря этому высококачественному источнику можно получить огромное количество атомов мюония».
Получение пучка — это шаг к измерению гравитации, а не само измерение. Сейчас команда разрабатывает интерферометр — прибор, использующий волновые свойства атомов для создания интерференционной картины. Гравитация Земли должна слегка смещать эту картину. Измерение смещения покажет, как мюоний ускоряется под действием гравитации, что позволит проверить, подчиняется ли его тяжёлый антимюонный компонент тем же правилам, что и обычная материя. «Мы надеемся впервые протестировать метод с атомным пучком уже в этом году, а если всё пойдёт хорошо, то собственно гравитационный эксперимент должен последовать через два-три года», — говорит Зотер. Пучок может также улучшить лазерную спектроскопию, использующую свет для изучения свойств атомов. Более точные измерения мюония позволят уточнить оценки массы мюона и фундаментальных физических констант — ещё одна цель исследовательской группы. Неожиданный результат мог бы открыть гораздо более широкое поле для исследований. Если мюоний будет падать иначе, чем обычная материя, физикам придётся объяснять причину. «Это действительно было бы удивительно и, помимо прочих теорий, могло бы указывать на существование пятой силы», — говорит Зотер. Сейчас физика признаёт четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Пятую силу предлагали много раз, но ни одна из них не была подтверждена. Зотер подходит к эксперименту, не отдавая предпочтения какому-либо исходу. «Я абсолютно непредвзята, — говорит она. — Я просто хочу впервые измерить, применимо ли равенство гравитационной и инертной массы также ко второму поколению частиц — уже это само по себе вдохновляющая работа».