Исследователи Высшей технической школы Цюриха и Института Пауля Шеррера в Виллигене готовят эксперимент, который впервые позволит проверить действие гравитации на частицу второго поколения — мюон. Учёные намерены измерить, как гравитационное поле влияет на мюоний, нейтральный атом, состоящий из положительно заряженного антимюона и отрицательно заряженного электрона. «Мы сделали важный шаг к проведению захватывающего эксперимента на эту тему. Мы хотим измерить гравитационное взаимодействие мюона», — говорит профессор физики Сотер.
Обычное вещество состоит из протонов, нейтронов и электронов, относящихся к первому поколению частиц. Мюон является более тяжёлым родственником электрона и входит во второе поколение, тогда как третье представлено ещё более массивными частицами. Стандартная модель описывает эти три поколения, но не объясняет, почему их именно три и зачем природе понадобились дополнительные поколения. «Мы, физики, пока не понимаем, почему вообще существуют эти дополнительные поколения. И почему всего их три?» — отмечает Сотер.
Проверка мюония связана с принципом эквивалентности, который утверждает равенство гравитационной и инертной масс. Для обычного вещества это означает универсальность свободного падения: тела, находящиеся в одном гравитационном поле, падают с одинаковым ускорением. Этот принцип был осознан Галилео Галилеем и Исааком Ньютоном, а позднее стал основой теории гравитации Альберта Эйнштейна. До сих пор его проверяли на обычном веществе и антивеществе первого поколения, поэтому эксперимент с мюонием станет первым испытанием для частицы второго поколения.
Нейтральный мюоний подходит для такой работы лучше заряженных частиц, поскольку слабое гравитационное воздействие не будет скрыто электромагнитными полями. Однако мюоны распадаются примерно через 2,2 микросекунды, а ранее получавшиеся атомы мюония двигались с разными скоростями и в различных направлениях. Учёным из Института Пауля Шеррера удалось сформировать «холодный» пучок, в котором атомы движутся с близкими скоростями почти параллельно друг другу.
Метод описан в журнале Nature Physics. Антимюоны из ускорителя направляют в тонкий слой сверхтекучего гелия, охлаждённого почти до абсолютного нуля — минус 273 градусов Цельсия. Внутри жидкости частицы замедляются, а после соединения антимюона со свободным электроном образовавшийся мюоний выталкивается к поверхности благодаря химическому потенциалу, который превращается в кинетическую энергию. «Таким образом, мы используем химический потенциал как атомную пушку», — объясняет ведущий автор исследования Джесси Чжан. По словам Сотер, непрерывный пучок мюонов PSI является самым интенсивным в мире и позволяет получать большое количество атомов мюония.
Сейчас команда создаёт интерферометр — прибор, использующий волновые свойства атомов для формирования интерференционной картины. Гравитация Земли должна вызвать в ней крайне малое смещение, по которому исследователи определят воздействие на мюон. Учёные рассчитывают впервые испытать метод на атомном пучке в этом году, а при успешном результате провести основной гравитационный эксперимент через два-три года. Новый пучок также может повысить точность лазерной спектроскопии мюония и помочь уточнить массу мюона и фундаментальные физические константы. Если частица второго поколения будет реагировать на гравитацию иначе, чем обычное вещество, это, помимо прочего, может указывать на существование пятого фундаментального взаимодействия, хотя главная цель работы — проверить применимость принципа эквивалентности к частицам второго поколения.