Теорията на Айнщайн за гравитацията може да бъде разклатена от студен лъч от екзотични атоми

Изследователи от швейцарските институти ETH Цюрих и Института „Паул Шерер“ (PSI) във Вилиген са създали интензивен лъч от студени атоми, който планират да използват за тестване на теорията на Айнщайн за гравитацията. Този студен лъч се състои от мюони (античастици от второ поколение). Изследователите искат да изследват взаимодействието ѝ с гравитацията, за да установят дали съществува и друга сила на природата, която все още не сме открили.

Материята, която виждаме около нас се състои от протони, неутрони и електрони, които учените наричат частици от първо поколение. Другите две поколения частици са по-тежки от тези от първо поколение, но също така са нестабилни и бързо се разпадат до частици от първо поколение. Мюонът е по-тежкият „братовчед“ на електрона от второто поколение частици. Изследователите от PSI успешно са генерирали мюони и техните античастици с помощта на ускорител на частици. Когато такъв антимюон се съедини с електрон, се образува неутрален атом на мюоним. Заедно с изследователи от ETH Zurich учените измериха как атомът на мюон пада под действието на гравитацията.

Гравитацията върху частиците от второ поколение

Още от времето на Галилео, през Нютон и до Айнщайн, физиците са потвърдили универсалността на свободното падане. Този принцип на еквивалентността гласи, че всички тела в гравитационно поле падат с едно и също ускорение, независимо от тяхната маса или вътрешна структура. Айнщайн използва този принцип като основен стълб на своята прочута теория на относителността, но той е бил тестван само върху частици от първото поколение – материя и антиматерия. Измерването на този принцип върху атом на муоний би било първият случай на тестване върху частица от второ поколение.

Мюонът е изключително подходящ за този експеримент, тъй като е електрически неутрален. За сравнение, заредените частици могат да бъдат повлияни от странични магнитни полета, което да прикрие ефекта от слабата гравитационна сила.

Как помага лъчът от мюони

Една от основните пречки при провеждането на такъв експеримент е бързото разпадане на мюоните. Освен че се разпада бързо (само за 2,2 микросекунди), мюонът, получен при предишни опити се е движел с различни скорости, което затруднява провеждането на експерименти с него.

Изследователите от PSI са използвали квантова течност, за да генерират постоянен поток от атоми на мюони.

„Използвахме свръхтечен хелий, охладен до температура близо до абсолютната нула – минус 273 градуса по Целзий. Свръхтечният хелий е така наречената квантова течност, в която отделните атоми на хелия губят своята идентичност и не допускат примеси в себе си.“

обясни Джеси Жанг, изследовател в PSI, в прессъобщение

Антимюоните, генерирани в ускорителя на частици на PSI след това са били изстреляни в квантовата течност, където са се сблъскали със свободни електрони и са образували атом на мюон. Положителният химичен потенциал, образуван по време на тази реакция изтласква атома на мюона към повърхността, където химичният потенциал се превръща в кинетична енергия, изстрелвайки го вертикално извън течността.

Сега изследователите планират да построят интерферометър, който ще използва вълновите свойства на атома на мюона, за да създаде интерференционна картина, способна да открие въздействието на гравитацията върху мюона. Изграждането на устройството може да отнеме две до три години, но когато е готово, то ще отговори на важен въпрос, който отдавна остава без отговор: действа ли гравитацията по различен начин върху екзотичната материя? Ако гравитацията наистина действа по различен начин, това би сочило към наличието на пета сила в природата. Засега екипът се фокусира върху това да установи дали принципът на еквивалентността важи за второто поколение частици.