Физики из Высшей технической школы Цюриха и Института Пауля Шеррера (PSI) в Филлигене разработали методику, которая позволит измерить, как гравитация действует на мюоны – нестабильные элементарные частицы, которые тяжелее электронов. Эксперимент впервые проверит принцип эквивалентности Альберта Эйнштейна для частиц так называемого второго поколения.
Стандартная модель физики элементарных частиц делит их на три поколения. К первому относятся протоны, нейтроны и электроны, из которых состоит привычная нам материя. Зачем существуют еще два, более тяжелых поколения и подчиняются ли они тем же законам физики, остается открытым вопросом. Принцип эквивалентности – один из столпов общей теории относительности – гласит, что гравитация одинаково влияет на все тела, независимо от их массы и состава. До сих пор его удавалось подтвердить только для частиц первого поколения.
Для прямого теста требовалась электрически нейтральная частица, чтобы электромагнитные силы не искажали слабое гравитационное взаимодействие. Ученые использовали для этого мюоний – «атом», состоящий из положительного антимюона и электрона. Работу осложняло то, что мюоний крайне нестабилен и распадается примерно за 2,2 микросекунды, а получить его раньше удавалось только в «горячем» состоянии – с хаотично разлетающимися атомами.
Швейцарская команда нашла способ создать «холодный» пучок мюония, в котором все атомы движутся параллельно и с предсказуемой скоростью. Для этого пучок антимюонов с ускорителя PSI направили в сверхтекучий гелий, охлажденный почти до абсолютного нуля. В этой квантовой жидкости антимюоны замедляются и захватывают электроны, образуя мюоний. Свойства гелия затем выталкивают эти новые атомы вертикально вверх, что и создает управляемый пучок. Сами исследователи называют этот механизм «атомной пушкой».
Сейчас группа строит высокоточный прибор – интерферометр. Он будет регистрировать волновые свойства атомов мюония. Гравитационное поле Земли должно вызывать в получаемой интерференционной картине микроскопический сдвиг. Измерив его, ученые и определят, как гравитация взаимодействует с мюонами.
Первые тесты методики с использованием атомного пучка планируют провести уже в этом году, а основной гравитационный эксперимент – начать через два-три года. Если выяснится, что мюоний падает иначе, чем обычная материя, это может указать на существование «пятой фундаментальной силы» или на физику за пределами Стандартной модели. Созданный пучок также позволит точнее измерить свойства самого мюона.
