Følger tyngdekraften samme regler for alle?

Her er noget tankevækkende: Hvis du taber en bowlingkugle og en fjer i et vakuum, rammer de jorden præcis samtidigt. Galileo beviste det for århundreder siden, og Einstein byggede sin revolutionerende gravitationsteori på præcis denne idé. Han kaldte det ækvivalensprincippet, og det er fundamentet for vores forståelse af universet.

Men der er et aber dabei her. Vi har kun testet princippet med "almindeligt" stof. Altså protoner, neutroner, elektroner. Det stof, vi kan se og røre ved.

Hvad med de mærkelige, tunge familiemedlemmer, der findes i naturen? Reagerer de på samme måde?

Det er præcis, hvad et hold fra ETH Zurich og Paul Scherrer Instituttet i Schweiz vil finde ud af — og de bruger et af universets mest bizarrer partikler til det.

Mød myonen

Lad mig introducere myonen. Tænk på den som elektronens overvægtige fætter. Den ligner en elektron på alle måder, bortset fra at den vejer cirka 200 gange mere. Og her bliver det interessant: Fysikere har ingen anelse om, hvorfor disse tungere "generationer" af partikler overhovedet findes.

Standardmodellen — vores bedste teori for partikelfysik — beskriver tre generationer af materie. Første generation: de velkendte protoner, neutroner og elektroner. Anden generation: myoner og deres venner. Tredje generation: endnu tungere sager kaldet tau-partikler.

"Men hvorfor har vi overhovedet disse ekstra generationer? Og hvorfor præcis tre?" som fysiker Anna Soter formulerer det.

Godt spørgsmål, ikke? Vi ved det ikke. Og den gåde fik holdet til at undre sig: Måske reagerer disse tungere partikler ikke helt som deres lettere slægtninge på gravitation. Måske har vi antaget noget forkert hele tiden.

Problemet med at teste tyngdekraft på myoner

Så du vil teste, om myoner falder med samme hastighed som elektroner? Nemt, ikke? Bare tab nogle myoner og se hvad der sker.

Hvis only det var så enkelt.

Første problem: Myoner er antisosiale. De lever kun i cirka 2,2 mikrosekunder, før de henfalder til andre partikler. Det er 0,0000022 sekunder. Du kan ikke ligefrem sætte op til et afslappet drop-eksperiment med noget, der forsvinder så hurtigt.

Andet problem: Hvis du prøvede at bruge en ladet myon, ville selv svage elektromagnetiske felter overdøve den lillebitte gravitationelle kraft, du prøver at måle. Tyngdekraften er svag, husk det. Den bliver nemt maset.

Løsningen? Lav muonium.

Bygget atomet der ikke burde eksistere

Muonium lyder som noget fra en sci-fi film, men det er virkeligt. Tag en positivt ladet antimyon og kombiner den med en negativt ladet elektron. Hvad får du?

Et neutralt atom, der er en hybrid af materie og antimaterie.

Neutral er afgørende, fordi det betyder, at elektromagnetiske felter ikke vil forstyrre målingen af tyngdekraften. Og da muonium er elektrisk neutralt, kan holdet faktisk observere det falde.

Men der er stadig hastighedsproblemet. Traditionelle metoder producerede muonium-atomer, der summede rundt i alle retninger med tilfældige hastigheder — fuldstændig ubrugeligt til præcise målinger.

Gennembruddet kom, da forskerne fandt ud af at producere "koldt" muonium: atomer der bevæger sig med næsten samme hastighed i næsten samme retning. Det er det, der gør et tyngdekrafteksperiment muligt.

Skyd atomer med en atomar kanon

Her bliver det virkelig interessant. For at skabe denne kolde muonium-stråle bruger holdet superflydende helium kølet til lige over det absolutte nulpunkt — altså minus 273 grader Celsius.

Superflydende helium er fundamentalt set en kvantevæske, hvor atomer mister deres individuelle identitet, og væsken bliver fuldstændig fri for friktion. Den tolererer heller ikke urenheder. Tænk på den som væskernes primadonna.

Når antimyonerne fra PSI's kraftfulde accelerator kommer ind i heliumet, sænker de farten. Når en antimyon griber fat i en fri elektron og danner muonium, sker der noget magisk: Det kemiske potentiale inde i væsken fungerer som en miniature raketmotor, der sender det nyformede atom opad gennem overfladen.

Hovedforfatter Jesse Zhang beskriver det smukt: "Vi bruger det kemiske potentiale som en atomar kanon."

Jeg elsker det. En atomar kanon, der skyder eksotiske atomer gennem kvantevæske for at teste Einsteins teori. Videnskab er fantastisk.

Hvad sker der nu?

Holdet bygger nu et interferometer — en anordning der udnytter atomernes bølgeagtige egenskaber til at måle ekstremt små effekter. Når muonium-atomerne stiger og falder under Jordens tyngdekraft, vil interferometeret registrere selv de mindste ændringer i deres bølgemønstre.

Hvis Einstein havde ret, og ækvivalensprincippet også gælder for anden-generations-partikler, bør muonium opføre sig præcis som almindeligt stof i et tyngdefelt.

Men hvis der er selv den mindste afvigelse? Det ville være en kæmpe ting. Vi taler Nobel-pris niveau og en stor omskrivning af fysikbøgerne.

Ærligt talt håber jeg, de finder noget. Ikke fordi jeg vil have Einstein til at tage fejl, men fordi vi har testet ækvivalensprincippet med de samme typer stof i århundreder. Det er tid til at prøve noget nyt. Det er tid til at se, om universet er fair over for alle sine partikler, eller kun dem vi kender godt.

Eksperimentet kunne endelig hjælpe os med at forstå, hvorfor naturen overhovedet gad at skabe flere generationer af materie. Det er ret stort for en partikel, der kun lever i 2,2 mikrosekunder.

Nogle gange lærer de kortvarigste ting os de mest dybtgående lektioner.

Kilde: ScienceDaily