Физики создали направленный пучок мюония — необычных атомов, состоящих из электрона и антимюона. Эта разработка должна помочь проверить, одинаково ли ведут себя в гравитационном поле обычная материя и частицы второго поколения. Исследование провели специалисты Высшей технической школы Цюриха и Института Пауля Шеррера в Виллигене, а его результаты опубликованы в Nature Physics.
Мюон является более тяжёлым аналогом электрона и относится ко второму поколению элементарных частиц. Стандартная модель описывает три поколения частиц, однако не объясняет, почему они существуют и почему их именно три. Изучение гравитационного поведения мюона может дать дополнительные сведения об этой проблеме.
В обычных условиях тела падают с одинаковым ускорением независимо от массы и состава, если исключить сопротивление воздуха и другие внешние воздействия. Этот принцип эквивалентности связывает гравитационную массу, определяющую реакцию тела на притяжение, с инертной массой, характеризующей сопротивление ускорению. До сих пор его напрямую проверяли на обычном веществе и антиматерии первого поколения, тогда как мюоний позволяет исследовать частицу второго поколения.
Мюоний образуется, когда положительно заряженный антимюон соединяется с отрицательно заряженным электроном. Получившийся атом электрически нейтрален, хотя почти вся его масса приходится на антимюон. Это важно для эксперимента: электромагнитные поля могут значительно сильнее воздействовать на заряженные частицы, чем слабая сила тяжести.
Главной трудностью остаётся короткая жизнь мюонов — в среднем они распадаются через 2,2 микросекунды. Исследователи охладили сверхтекучий гелий почти до абсолютного нуля, примерно до минус 273 градусов Цельсия. Попадающие в тонкий слой жидкости антимюоны замедляются и захватывают электроны, а образовавшиеся атомы мюония выходят с поверхности почти параллельным потоком: химический потенциал превращает их в своеобразную «атомную пушку».
Учёные намерены использовать этот пучок в интерферометре, который регистрирует изменения интерференционной картины, вызванные земной гравитацией. По словам руководителя работы Анны Сотер, первый тест метода планируется провести в течение этого года, а полноценный гравитационный эксперимент может состояться через два или три года. Если мюоний будет падать иначе, чем обычное вещество, это может указать на существование пока не обнаруженного пятого фундаментального взаимодействия; кроме того, пучок пригоден для более точной лазерной спектроскопии и уточнения массы мюона и фундаментальных физических постоянных.