Изследователи от ETH Цюрих и Института „Паул Шерер“ във Вилиген създадоха прецизно контролиран лъч от муоний – необичаен атом, състоящ се от електрон и антимуон. Постижението им, описано в сп. Nature Physics, отстранява съществена пречка пред измерването на това как гравитацията влияе върху по-тежък роднина на частиците, изграждащи обичайната материя.

„Направихме важна стъпка към провеждането на вълнуващ експеримент в тази област“, ​​казва Анна Сотер, професор по физика и ръководител на изследването. „Целта ни е да измерим гравитационното взаимодействие на муона.“

Обикновената материя се състои от електрони и атомни ядра, изградени от протони и неутрони. Електроните и кварките в тези протони и неутрони принадлежат към първото поколение елементарни частици. В природата съществуват и две по-тежки поколения, включващи мюона – аналог на електрона от второто поколение.

Стандартният модел описва това „родословно дърво“ на частиците, без да обяснява защо то включва три поколения. „Ние, физиците, все още не разбираме защо изобщо съществуват тези допълнителни поколения“, признава Сотер. „И защо са точно три?“

Когато се изключат съпротивлението на въздуха и други външни сили, обикновените тела падат с еднаква скорост в едно и също гравитационно поле, независимо от тяхната маса или състав. Тази универсалност на свободното падане, свързвана с имената на Галилео Галилей и Исак Нютон, е в основата на Айнщайновата теория за гравитацията.

Основният принцип свързва гравитационната маса – която определя как дадено тяло реагира на гравитацията – с инертната маса, определяща доколко силно то се съпротивлява на ускорението. Досега преките експерименти са обхващали обикновена материя или антиматерия от първо поколение. Муоният предоставя възможност да се провери дали същата зависимост е в сила и за частица от второ поколение.

В лабораторията ускорител генерира мюони и техните античастици. Когато положително зареден антимюон се свърже с отрицателно зареден електрон, зарядите им се неутрализират, образувайки неутрален мюоний. Въпреки че атомът съдържа електрон, по-голямата част от масата му идва от много по-тежкия антимюон.

„Екзотичният мюоний е изключително подходящ за тази цел, тъй като е неутрален атом“, обяснява Сотер. „В крайна сметка, за да накараш нещо да пада, ти трябва неутрален обект.“ Заредените частици също се влияят от гравитацията, но електромагнитните сили от случайни полета могат да надделеят над нейния много по-слаб ефект.

Въпреки това изследователите трябва да работят в рамките на изключително кратък интервал от време: мюоните се разпадат средно само за 2,2 микросекунди. По-ранните източници на муоний допълнително усложняваха този проблем, тъй като освобождаваха атомите в различни посоки и с твърде различни скорости, което затрудняваше точното измерване на движението им.

„Успяхме да получим муониеви атоми в „студено“ състояние – именно това прави възможен самия експеримент за гравитацията“, казва Сотер. „В случая „студено“ означава, че атомите се движат с близки скорости и почти успоредно един на друг.“

За да създаде този подреден лъч, екипът се насочи към свръхфлуидния хелий. „За да постигнем това, използвахме свръхфлуиден хелий, охладен до температура, близка до абсолютната нула – минус 273 градуса по Целзий“, казва Джеси Джан, водещ автор на изследването. Генерирането на лъча е стъпка към измерването на гравитацията, а не самото измерване. В момента екипът разработва интерферометър – уред, който използва вълновите свойства на атомите за създаване на интерференчна картина.

Гравитацията на Земята би трябвало леко да измести тази картина. Измерването на това изместване ще разкрие как муоният се ускорява под въздействието на гравитацията, което ще позволи на изследователите да проверят дали тежката му съставна част – антимуонът – се подчинява на същите закони като обикновената материя.

Неочакван резултат би могъл да даде начало на много по-мащабно изследване. Ако муоният пада по различен начин от обикновената материя, физиците ще трябва да обяснят защо. „Това наистина би било изненадващо и, наред с други теории, би могло да насочи към съществуването на пета сила“, завършва Сотер.

Понастоящем във физиката се признават четири фундаментални взаимодействия: гравитация, електромагнетизъм, силно и слабо взаимодействие. Многократно са изказвани предположения за съществуването на пета сила, но никое от тях не е потвърдено.

Снимка: UnsplashMarkus Fischer, Paul Scherrer Institute

Виж още: Слънчевата система някога е имала девет планети, а Слънцето може би е погълнало една от тях