Физики создали «атомную пушку», которая должна помочь проверить, одинаково ли ведут себя при падении обычная материя и экзотические частицы. Исследователи ETH Zurich и Института Пауля Шеррера в Виллигене получили направленный пучок мюония — необычных атомов, состоящих из электрона и антимюона. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Physics.
Мюон относится ко второму поколению элементарных частиц и является более тяжёлым аналогом электрона. Стандартная модель описывает три поколения частиц, однако не объясняет, почему они существуют и почему их именно три. Поэтому измерение гравитационного взаимодействия мюона может дать физикам новые сведения о фундаментальном устройстве материи.
Проверка основана на принципе универсальности свободного падения, согласно которому тела в одном гравитационном поле ускоряются одинаково независимо от массы и состава. Он связывает гравитационную массу, определяющую реакцию тела на притяжение, с инертной массой, характеризующей сопротивление ускорению. «Мы сделали важный шаг к проведению захватывающего эксперимента на эту тему», — заявила руководитель исследования, профессор Анна Сотер.
Мюоний удобен для такого опыта, поскольку не имеет электрического заряда. Его получают на ускорителе Института Пауля Шеррера: положительно заряженный антимюон соединяется с электроном, и их заряды компенсируют друг друга. При этом почти вся масса атома приходится на значительно более тяжёлый антимюон. Средняя продолжительность жизни мюона составляет всего 2,2 микросекунды, поэтому частицы необходимо направить и ускорить максимально точно.
Для формирования упорядоченного пучка учёные использовали сверхтекучий гелий, охлаждённый почти до абсолютного нуля — примерно до минус 273 градусов Цельсия. Антимюоны, попадая в тонкий слой жидкости, замедляются и захватывают свободные электроны. Образовавшиеся атомы стремятся покинуть гелий, а их химический потенциал превращается в движение, выталкивая мюоний вертикально с близкими скоростями и почти параллельными траекториями. «Таким образом, мы используем химический потенциал как атомную пушку», — пояснил ведущий автор работы Джесси Чжан.
Полученный пучок станет основой для интерферометра — прибора, который использует волновые свойства атомов. Гравитация Земли должна немного изменить создаваемую им интерференционную картину, и по этому смещению исследователи смогут определить ускорение мюония. По словам Сотер, испытать метод с атомным пучком планируется в течение этого года, а сам гравитационный эксперимент может пройти через два или три года. Если мюоний будет падать иначе, чем обычная материя, это, помимо прочего, может указать на существование пятого фундаментального взаимодействия, однако учёная подчёркивает, что не ожидает заранее какого-либо определённого результата.