Исследователи ETH Zurich и Института Пауля Шеррера (PSI) в Виллигене готовят эксперимент, который впервые позволит проверить действие гравитации на частицу второго поколения. Учёные намерены измерить, как гравитационное взаимодействие влияет на мюон. «Мы сделали важный шаг к проведению захватывающего эксперимента на эту тему», — говорит профессор физики Сотер.
Обычная материя состоит из протонов, нейтронов и электронов, относящихся к первому поколению частиц. Мюон является более тяжёлым родственником электрона и входит во второе поколение. На ускорителе PSI получают мюоны и их античастицы, а положительно заряженный антимюон, соединяясь с отрицательно заряженным электроном, образует нейтральный атом мюония.
Стандартная модель описывает три поколения частиц, но не объясняет, почему их именно несколько. Учёные также хотят выяснить, одинаково ли реагируют на гравитацию тяжёлые частицы второго и третьего поколений и более лёгкие частицы первого. Такой опыт станет проверкой принципа эквивалентности, согласно которому гравитационная и инертная массы должны быть равны.
Нейтральный мюоний подходит для эксперимента лучше заряженных частиц: слабое гравитационное воздействие не будет перекрыто влиянием случайных электромагнитных полей. Однако мюоны живут около 2,2 микросекунды, а ранее получавшиеся атомы мюония двигались с разными скоростями и в различных направлениях. Учёным PSI удалось решить эту проблему, создав «холодное» состояние, при котором атомы движутся почти параллельно и примерно с одинаковой скоростью.
Метод описан в журнале Nature Physics. Антимюоны направляют в тонкий слой сверхтекучего гелия, охлаждённого почти до абсолютного нуля — минус 273 градусов Цельсия. В жидкости частицы замедляются, а после соединения антимюона со свободным электроном образовавшийся атом выталкивается на поверхность: химический потенциал преобразуется в кинетическую энергию и направляет мюоний вертикально вверх. «Таким образом, мы используем химический потенциал как атомную пушку», — объясняет ведущий автор работы Джесси Чжан.
Сейчас команда создаёт интерферометр, который должен зафиксировать влияние земной гравитации на пучок мюония по смещению интерференционной картины. Как сообщает ScienceDaily, первый тест метода с атомным пучком может пройти в этом году, а основной гравитационный эксперимент — через два или три года. Если мюоний будет падать иначе, чем обычная материя, это может указывать на существование пятого фундаментального взаимодействия, однако главная цель исследования — проверить принцип эквивалентности для частиц второго поколения.