Wacht, Behandelt Zwaartekracht Iedereen Gelijk?

Hier is iets om over na te denken: als je een bowlingbal en een veer laat vallen (in een vacuüm, tenminste), raken ze exact tegelijk de grond. Galileo ontdekte dit eeuwen geleden. Einstein bouwde zijn hele zwaartekrachttheorie hieromheen. Hij noemde het het equivalentieprincipe. Het is de basis van hoe we het universum begrijpen.

Maar hier is het ding — we hebben dit principe alleen getest met "gewone" materie. Protonen, neutronen, elektronen. Het spul waar alles uit bestaat wat je kunt zien en aanraken.

Wat als het gaat om de rare, zware familieleden van deze deeltjes? Vallen die ook hetzelfde?

Precies dat wil een team van ETH Zürich en het Paul Scherrer Instituut in Zwitserland uitzoeken. En ze gebruiken een van de meest bizarre deeltjes in het universum ervoor.

Ontmoet het Muon

Stel je het muon voor als de elektron met overgewicht. Qua eigenschappen identiek aan een elektron, behalve dat het zo'n 200 keer zwaarder is. En hier wordt het interessant: fysici hebben geen flauw idee waarom deze zwaardere "generaties" deeltjes überhaupt bestaan.

Het Standaardmodel — onze beste theorie over hoe deeltjes werken — beschrijft drie generaties materie. Eerste generatie: de bekende protonen, neutronen en elektronen. Tweede generatie: muonen en hun maatjes. Derde generatie: nóg zwaarder spul, tau-deeltjes.

"Maar waarom hebben we deze extra generaties eigenlijk? En waarom precies drie?" zoals fysicus Anna Soter het stelt.

Goede vraag, toch? Wij weten het niet. En dat mysterie bracht het team tot een idee: misschien reageren deze zwaardere deeltjes niet helemaal hetzelfde op zwaartekracht als hun lichtere familieleden. Misschien hebben we altijd de verkeerde aanname gedaan.

Het Probleem met Zwaartekracht Testen bij Muonen

Dus je wilt testen of muonen even snel vallen als elektronen? Simpel, toch? Laat gewoon wat muonen vallen en kijk wat er gebeurt.

Was het maar zo makkelijk.

Eerste probleem: muonen zijn anti-sociaal. Ze leven maar zo'n 2,2 microseconde voordat ze vervallen in andere deeltjes. Dat is 0,0000022 seconden. Je kunt moeilijk een ontspannen val-experiment opzetten met iets dat zo snel verdwijnt.

Tweede probleem: als je een geladen muon zou gebruiken, zouden alle rondzwevende elektromagnetische velden de minuscule zwaartekracht die je wilt meten volledig overweldigen. Zwaartekracht is zwak, weet je? Die wordt makkelijk gepest.

De oplossing? Maak muonium.

Bouw Het Vreemdste Atoom Ooit

Muonium klinkt als iets uit een sciencefictionfilm, maar het is echt. Neem een positief geladen anti-muon (het antideeltje van het muon) en combineer het met een negatief geladen elektron. Wat krijg je?

Een neutraal atoom dat eigenlijk een hybride is van materie en antimaterie.

Neutraal is cruciaal. Elektromagnetische velden kunnen dan de zwaartekrachtmeting niet verstoren. Omdat muonium elektrisch neutraal is, kan het team het daadwerkelijk zien vallen.

Maar er is nog het snelheidsprobleem. Traditionele methoden produceerden muoniumatomen die alle kanten op schoten met willekeurige snelheden — volkomen onbruikbaar voor precisie-metingen.

De doorbraak kwam toen onderzoekers leerden hoe ze "koud" muonium maken: atomen die allemaal nagenoeg dezelfde snelheid hebben en ongeveer dezelfde kant op bewegen. Dit maakt een zwaartekrachtexperiment eindelijk mogelijk.

Atoomschieten met een Atoomkanon

Hier wordt het echt cool. Om deze koude muoniumbundel te maken, gebruikt het team superfluidisch helium, gekoeld tot net boven het absolute nulpunt — we hebben het over min 273 graden Celsius.

Superfluidisch helium is eigenlijk een quantumvloeistof waarin atomen hun individuele identiteit verliezen en de vloeistof volledig wrijvingsloos wordt. Het accepteert ook geen onzuiverheden. Denk aan de diva onder de vloeistoffen.

Wanneer anti-muonen uit de krachtige versneller van PSI dit helium binnenkomen, vertragen ze. Wanneer een anti-muon een vrij elektron grijpt om muonium te vormen, gebeurt er iets magisch: de chemische potentiaal in de vloeistof werkt als een minuscuul raketje, dat het nieuw gevormde atoom omhoog door het oppervlak stuwt.

Hoofdauteur Jesse Zhang beschrijft het prachtig: "We gebruiken de chemische potentiaal als een atoomkanon."

Ik hou daarvan. Een atoomkanon dat exotische atomen door quantumvloeistof schiet om Einsteins theorie te testen. Wetenschap is geweldig.

Wat Gebeurt Er Nu?

Het team bouwt nu een interferometer — een apparaat dat de golfachtige eigenschappen van atomen gebruikt om ongelooflijk kleine effecten te meten. Wanneer de muoniumatomen op en neer bewegen onder invloed van de zwaartekracht van de aarde, zal de interferometer subtiele verschuivingen in hun golfpatronen detecteren.

Als Einstein gelijk had en het equivalentieprincipe ook geldt voor deeltjes van de tweede generatie, dan zou het muonium zich exact hetzelfde moeten gedragen als gewone materie die in een zwaartekrachtveld valt.

Maar als er ook maar een tiny afwijking is? Dat zou enorm zijn. We hebben het over potentiële Nobelprijs-territorium en een flinke herziening van de natuurkundeboeken.

Eerlijk gezegd hoop ik dat ze iets vinden. Niet omdat ik wil dat Einstein ongelijk heeft, maar omdat we het equivalentieprincipe al eeuwenlang testen met dezelfde soorten materie. Het is tijd om uit te breiden. Het is tijd om te zien of het universum eerlijk speelt met al zijn deeltjes, of alleen met degenen die we kennen.

Het experiment kan ons eindelijk helpen begrijpen waarom de natuur zich überhaupt de moeite heeft getrouwd om meerdere generaties materie te creëren. Dat is nogal een big deal voor een deeltje dat maar 2,2 microseconde leeft.

Soms leren de kortstlevende dingen ons de diepste lessen.

Bron: ScienceDaily