Szóval a gravitáció tényleg mindenkivel egyformán bánik?

Van egy elég fura gondolat: ha ledobsz egy bowlinggolyót és egy tollpihét (vákuumban persze), pontosan ugyanakkor csapódnak a földnek. Galilei ezt évszázadokkal ezelőtt megállapította, Einstein pedig az egész gravitációs elméletét erre építette. Ezt hívjuk ekvivalenciaelvnek, és gyakorlatilag ez a alapja annak, ahogyan a Világegyetemet megértjük.

De van egy bökkenő: eddig csak a "hétköznapi" anyaggal tesztoltuk. Protobufokkal, neutronokkal, elektronokkal. Abból áll minden, amit látsz és megfogsz.

És mi a helyzet azokkal a furcsa, nehéz rokonokkal? Azok is ugyanúgy esnek?

Pont ezt akarja kideríteni egy csapat a ETH Zürichből és a Paul Scherrer Intézetből — és ehhez az egyik legbizarrabb részecskét használják a Világegyetemben.

Bemutatom a müont

Ismerd meg a müont. Gondolj rá úgy, mint az elektron kövér unokatestvérére. Szinte mindenben egyezik az elektronnal, csak nagyjából 200-szor nehezebb. És itt kezdődik az érdekes rész: a fizikusoknak fogalmuk sincs, miért léteznek ezek a nehezebb "generációk".

A Standard Modell — ami a legjobb elméletünk a részecskék működésére — három anyaggenerációt ír le. Első generáció: a megszokott protonok, neutronok, elektronok. Második generáció: müonok és a társaik. Harmadik generáció: még nehezebb dolgok, úgynevezett tau-részecskék.

"De miért vannak egyáltalán ezek a plusz generációk? És miért pont három?" — ahogy Anna Soter fizikus fogalmaz.

Remek kérdés, nem? Nincs válasz. És pont ez a rejtély vezette el a csapatot ahhoz a gondolathoz: talán ezek a nehezebb részecskék nem pontosan úgy reagálnak a gravitációra, mint a könnyebb rokonaik. Talán eddig rosszat feltételeztünk.

A probléma: hogyan teszteljük a gravitációt müonokon?

Szóval le akarod tesztelni, hogy a müonok ugyanolyan gyorsan esnek-e, mint az elektronok? Egyszerű, ugye? Dobd le a müonokat és nézd meg.

Ha csak ilyen egyszerű lenne.

Első probléma: a müonok nem szeretik a társaságot. Nagyjából 2,2 mikromásodpercig élnek, aztán más részecskékre bomlanak. Ez 0,0000022 másodperc. Nem igazán lehet leejteni valamit, ami ennyire gyorsan eltűnik.

Második probléma: ha töltött müont próbálnál használni, bármilyen kósza elektromágneses mező elnyomná a parányi gravitációs hatást, amit mérni akarsz. A gravitáció gyenge, ugye? Könnyen elnyomják.

A megoldás? Müóniumot készíteni.

A legfurcsább atom megépítése

A müónium úgy hangzik, mint valami sci-fiből, de létezik. Vegyél egy pozitív töltésű antimüont (a müon antianyag változata) és kapcsold össze egy negatív töltésű elektronnal. Mi lesz belőle?

Egy semleges atom, ami gyakorlatilag az anyag és az antianyag hibridje.

A semlegesesség kulcsfontosságú, mert ez azt jelenti, hogy az elektromágneses mezők nem zavarnak bele a gravitációs mérésbe. Mivel a müónium elektromosan semleges, a csapat tényleg megfigyelheti, ahogy esik.

De még mindig ott a sebesség problémája. A hagyományos módszerekkel a müónium atomok mindenfelé vadásztak, véletlenszerű sebességgel — ez teljesen használhatatlan pontos mérésekhez.

Az áttörés akkor jött, amikor a kutatók rájötték, hogyan állítsanak elő "hideg" müóniumot: olyan atomokat, amelyek közel azonos sebességgel, nagyjából同一 irányba mozognak. Ez az, ami lehetővé teszi a gravitációs kísérletet.

Lövészként működő atomi ágyú

És itt válik igazán érdekessé. A hideg müónium nyaláb előállításához a csapat szuperfolyékony heliumnyelvet használ, amelyet majdnem az abszolút nullára hűtöttek le — ez nagyjából mínusz 273 fok.

A szuperfolyékony helium gyakorlatilag egy kvantumfolyadék, ahol az atomok elveszítik egyéni identitásukat, és a folyadék teljesen súrlódásmentes lesz. Nem tűri meg a szennyeződéseket sem. Gondolj rá úgy, mint a folyadékok hercegnőjére.

Amikor az antimüonok a PSI erős gyorsítójából belépnek ebbe a heliumba, lelassulnak. És amikor egy antimüon "megkapja" a szabad elekront és müóniummá alakul, valami varázslatos történik: a folyadékban lévő kémiai potenciál úgy működik, mint egy parányi rakétahajtómű, amely az újonnan képződött atomot felfelé lövi a felszínen át.

A cikk első szerzője, Jesse Zhang gyönyörűen fogalmaz: "A kémiai potenciált atomi ágyúként használjuk."

Imádom. Atomi ágyú, amely egzotikus atomokat lő át kvantumfolyadékon, hogy Einstein elméletét tesztelje. A tudomány zseniális.

Mi következik?

A csapat most egy interferométert épít — egy olyan eszközt, amely az atomok hullámszerű tulajdonságait használja fel rendkívül apró hatások mérésére. Amikor a müónium atomok felemelkednek és leesnek a Föld gravitációjában, az interferométer érzékeli a hullámképeikben lévő finom eltolódásokat.

Ha Einsteinnek igaza volt, és az ekvivalenciaelv a második generációs részecskékre is érvényes, akkor a müónium pontosan úgy viselkedik, mint a normális anyag a gravitációs mezőben.

De ha még egy parányi eltérést találnak? Az hatalmas dolog lenne. Nobel-díj kategória, és a fizika tankönyveit alapjaiban kellene átírni.

Őszintén szólva, remélem, találnak valamit. Nem azért, mert Einsteinnek tévednie kellene, hanem mert évszázadok óta ugyanazokkal az anyagtípusokkal tesztoljuk az ekvivalenciaelvet. Itt az ideje új irányba elindulni. Itt az ideje megnézni, hogy a Világegyetem valamennyi részecskéjével egyformán bánik-e, vagy csak azokkal, amelyeket ismerünk.

Ez a kísérlet végre segíthet megérteni, miért fárasztotta magát a természet azzal, hogy egyáltalán létrehozta a többféle anyaggenerációt. Ez elég nagy dolog egy részecske számára, amely mindössze 2,2 mikromásodpercig él.

Néha a legrövidebb életű dolgok tanítanak a legmélyebb leckéket.

Forrás: ScienceDaily