Учёные из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) и Института Пауля Шеррера (PSI) в Виллигене готовят эксперимент, который проверит фундаментальное предположение о том, что гравитация действует на все виды частиц одинаково. Для этого они намерены использовать одну из самых необычных частиц природы — мюон. «Мы сделали важный шаг к проведению захватывающего эксперимента по этой теме, — приводит ScienceDaily слова профессора физики. — Мы хотим измерить гравитационное взаимодействие мюона».
Обычная материя, из которой состоят люди, планеты и практически всё вокруг, включает протоны, нейтроны и электроны — физики относят их к первому поколению частиц. Помимо него существуют ещё два поколения, состоящие из более тяжёлых частиц. К одному из них принадлежит мюон — более массивный родственник электрона. В PSI исследователи могут создавать мюоны и их античастицы с помощью большого ускорителя. Когда положительно заряженный антимюон соединяется с отрицательно заряженным электроном, образуется нейтральный атом — мюоний.
Стандартная модель физики элементарных частиц описывает эти поколения, но не объясняет, зачем природе понадобилось несколько поколений. «Но мы, физики, пока не понимаем, почему эти дополнительные поколения вообще существуют, — говорит Сотер. — И почему их в общей сложности три?» Это порождает ещё один важный вопрос: реагируют ли более тяжёлые частицы второго и третьего поколений на гравитацию так же, как лёгкие частицы первого поколения.
Для обычной материи объекты в одной точке гравитационного поля падают с одинаковой скоростью. Галилео Галилей и Исаак Ньютон признали эту универсальность свободного падения ещё несколько веков назад. Позже она стала центральной для теории гравитации Альберта Эйнштейна через принцип эквивалентности, связывающий гравитационную и инертную массу. Однако до сих пор учёные подтверждали этот принцип только для обычной материи или антиматерии первого поколения. Измерение поведения мюония под действием гравитации стало бы первой проверкой с участием частицы второго поколения. «Экзотический мюоний очень хорошо подходит для этого, поскольку это нейтральный атом, — поясняет Сотер. — Ведь чтобы заставить что-то падать, нужно что-то нейтральное».
Нейтральность необходима потому, что гравитация чрезвычайно слаба по сравнению с электромагнетизмом. Если бы исследователи попытались провести эксперимент с заряженной частицей, посторонние электромагнитные поля могли бы подавить гравитационный эффект, который они пытаются обнаружить. Есть и другое серьёзное препятствие: мюоны живут всего около 2,2 микросекунды, после чего распадаются. Кроме того, прежние методы давали атомы мюония, движущиеся с разными скоростями и в разных направлениях, что плохо подходит для сверхточных гравитационных измерений. Теперь исследователи из PSI нашли способ обойти эту проблему. «Нам удалось получить атомы мюония в „холодном“ состоянии, и именно это делает гравитационный эксперимент возможным в принципе, — говорит Сотер. — В данном случае „холодный“ означает, что атомы распространяются с близкими скоростями, почти параллельно друг другу».
О новом методе получения мюония команда рассказала в журнале Nature Physics. «Чтобы добиться этого, мы использовали сверхтекучий гелий, охлаждённый почти до абсолютного нуля — до минус 273 градусов Цельсия, — объясняет Джесси Чжан, ведущий автор исследования. — Сверхтекучий гелий — это так называемая квантовая жидкость, в которой отдельные атомы гелия теряют свою индивидуальность и которая не терпит никаких примесей внутри себя». Процесс начинается с того, что антимюоны из ускорителя PSI направляют в тонкий слой сверхтекучего гелия. Внутри гелия частицы замедляются. Когда антимюон встречает свободный электрон, они образуют атом мюония с положительным химическим потенциалом. Этот потенциал фактически выталкивает новообразованный атом из жидкости. Достигнув поверхности, химический потенциал превращается в кинетическую энергию, придавая атому мюония импульс, который отправляет его вертикально вверх. «Так что мы используем химический потенциал как атомную пушку», — поясняет Чжан. Атомы мюония должны пройти через квантовую жидкость без столкновений и с предсказуемой скоростью. Их время жизни настолько мало, что любая значительная задержка не позволила бы им достичь поверхности до распада. «Для наших экспериментов мы также полагаемся на ускоритель частиц PSI, который генерирует самые интенсивные в мире непрерывные пучки мюонов, — говорит Сотер. — Благодаря этому высококачественному источнику можно получить очень много атомов мюония».
Сейчас исследователи строят прибор под названием интерферометр, чтобы измерить, как гравитация Земли влияет на пучок мюония. Устройство использует волновые свойства атомов для создания интерференционной картины. Притяжение Земли должно вызвать крайне малое смещение этой картины. Измерив смещение, учёные смогут определить, как гравитация действует на мюон. «Мы надеемся впервые протестировать метод с атомным пучком уже в этом году, а если всё пойдёт хорошо, то собственно гравитационный эксперимент последует через два-три года», — рассказывает Сотер. Новый пучок мог бы также сделать возможными гораздо более точные эксперименты по лазерной спектроскопии мюония. Такие измерения помогли бы учёным лучше понять массу мюона и фундаментальные физические константы — ещё одна долгосрочная цель исследовательской группы.
Если мюоний будет реагировать на гравитацию иначе, чем обычная материя, последствия могут быть глубокими. «Это действительно было бы удивительно и, помимо прочих теорий, могло бы указывать на существование пятой силы», — обрисовывает перспективу Сотер. Современная физика признаёт четыре фундаментальных взаимодействия: гравитацию, электромагнетизм, сильное взаимодействие и слабое взаимодействие. Учёные неоднократно выдвигали предположение о возможности дополнительной пятой силы, но ни одна такая сила никогда не была подтверждена. Обнаружение её не является главной целью эксперимента Сотер. Непосредственная задача более фундаментальна: определить, действует ли один из центральных принципов Эйнштейна также для другого поколения частиц. «Я абсолютно непредвзята, — говорит она. — Я просто хочу впервые измерить, применима ли эквивалентность гравитационной и инертной массы также ко второму поколению частиц — уже это само по себе вдохновляющая работа». Исследование поддерживается Национальным центром компетенций в области исследований Muoniverse.