Згідно із загальною теорією відносності Ейнштейна, гравітація не розрізняє, з чого ви зроблені: матерія й антиречовина мають падати однаково. Більшість експериментів це підтверджують, але деякі режими досі лишалися недосяжними. Тепер фізики зробили важливий крок у цей «дивний» простір антиречовини, створивши керований промінь мюонію – екзотичних атомоподібних частинок, які можуть дозволити вперше простежити, як саме на них діє гравітація.
Про роботу міжнародної команди розповідає видання ScienceAlert, посилаючись на статтю в журналі Nature Physics.
Навіщо міряти падіння мюонію
Універсальне ставлення гравітації до всього, що має масу, відоме як слабкий принцип еквівалентності. Він стверджує, що всі тіла у гравітаційному полі прискорюються однаково, незалежно від їхньої природи. Фізики хочуть перевірити, чи поширюється це правило і на частинки антиречовини другого покоління.
«Ми зробили важливий крок до здійснення захопливого експерименту на цю тему. Ми хочемо виміряти гравітаційну взаємодію мюона», — пояснює фізикиня Анна Зотер (Anna Soter) з ETH Zürich, провідна авторка дослідження.
Для цього потрібен мюоній — дивна й дуже недовговічна атомоподібна система, що складається з позитивно зарядженого антимюона та електрона. Вона електрично нейтральна, але майже вся її маса припадає саме на антиматерію, тобто на антимюон.
Антимюон є антиподом мюона — фундаментальної частинки, схожої на електрон, але приблизно у 200 разів масивнішої. На відміну від протонів і антипротонів, які складаються з кварків, мюони належать до елементарних частинок. Тож експеримент з гравітацією мюонію дасть змогу протестувати принцип еквівалентності в абсолютно новій галузі.
Чому це складно і як допомагає надплинний гелій
Основна проблема в тому, що мюоній живе лише близько 2,2 мікросекунди перед розпадом. За такий час дуже важко встигнути щось виміряти. Дослідники вирішили компенсувати цю коротку тривалість життя кількістю: створити справжній «пожежний шланг» мюонію — потужний промінь частинок, що летять майже в одному напрямку і з подібними швидкостями.
Існуючі джерела мюонію формують так звані «теплові» пучки: атоми розлітаються в усі боки та з широким спектром швидкостей. Це не підходить для точних гравітаційних вимірювань. Тому команда запропонувала інший підхід — запускати антимюони в шар надплинного гелію, охолодженого приблизно до 0,2 Кельвіна.
Коли антимюони входять у надплинний гелій, вони швидко втрачають енергію та зупиняються трохи нижче від його поверхні. Там кожен антимюон може захопити електрон, який залишився в його сліді, утворивши мюоній.
Далі в гру вступають властивості надплинного гелію. Мюоній «не любить» перебувати всередині цього середовища: взаємодія з гелієм надає йому додаткової енергії й буквально «виштовхує» новоутворені атоми до поверхні. Досягнувши її, мюоній виривається у вакуум над гелієм зі швидкістю, майже повністю визначеною цією енергетичною надбавкою, а не випадковим тепловим рухом.
Результат — охайний, вузький промінь мюонію, що рухається зі швидкістю близько 2,2 кілометра на секунду і має значно менший розкид швидкостей, ніж у традиційних джерелах. Приблизно 8 відсотків антимюонів, спрямованих у гелій, зрештою виходять у вакуум у вигляді мюонію — дуже високий показник для такої системи.
Від пучка до вимірювання гравітації
Над поверхнею гелію були розміщені детектори, які фіксували продукти розпаду мюонію й дозволяли відновити траєкторії цих частинок. Отримані дані підтвердили: вдалося створити саме той вузький і швидкий промінь, на який розраховували дослідники.
Однак експеримент ще не готовий безпосередньо міряти дію гравітації. Наразі надплинний гелій «вистрілює» мюоній вертикально вгору. Щоб визначити гравітаційне прискорення, потрібен горизонтальний промінь: тоді за час польоту гравітація трохи «потягне» частинки вниз, і це відхилення можна буде виміряти.
Команда вже працює над тим, щоб розвернути промінь убік. Наступний ключовий елемент — спеціальний інтерферометр, здатний зафіксувати вкрай мале гравітаційне зміщення.
Запропонований пристрій пропустить промінь мюонію крізь три надзвичайно тонкі ґратки, розташовані на відстані кількох міліметрів одна від одної. Через квантову природу мюонію, частинки поводитимуться також як хвилі й створюватимуть інтерференційну картину. Якщо гравітація діє на мюоній так само, як на звичайну матерію, її притягання має трохи змістити цю картину вниз.
Вимірявши зміщення, дослідники зможуть визначити гравітаційне прискорення для мюонію. Оцінивши можливості нового променя, команда вважає, що зрештою зможе дійти до точності близько 1 відсотка.
Що це скаже про Ейнштейна
Фізики сподіваються випробувати методику на атомному промені вже до кінця року, а сам гравітаційний експеримент може відбутися протягом найближчих двох-трьох років. Тоді стане ясно, чи «веде себе» мюоній під дією гравітації так, як передбачає загальна теорія відносності.
Якщо виявиться, що мюоній відхиляється від очікуваної поведінки, це може натякати на існування п’ятої фундаментальної сили у Всесвіті або на потребу переглянути деякі аспекти сучасної фізики. Якщо ж відхилень не буде, команда все одно отримає унікальний результат.
За словами Анни Зотер, вона насамперед хоче вперше перевірити, чи поширюється еквівалентність гравітаційної та інерційної маси на частинки другого покоління. Уже сам факт такого вимірювання стане значним досягненням — і черговим суворим «іспитом» для теорії Ейнштейна через понад 70 років після його смерті.
#Промінь #антиречовини #мюонію #готують #до #перевірки #теорії #Ейнштейна
Source link
