Čeká nás překvapení? Gravitace a tajemná částice muon
Představ si, že pustíš bowlingovou kouli a pírko — ve vakuu dopadnou na zem úplně ve stejný okamžik. Galilei na to přišel před staletími. Einstein pak celou svou teorii gravitace postavil na principu, že všechna hmota padá stejně. Říká se tomu princip ekvivalence. A je to základ všeho, co víme o vesmíru.
Jenže — testovali jsme to jen na "normální" hmotě. Protony, neutrony, elektrony. Na tom, z čeho je udělaný celý viditelný svět.
Co ale ty divné, těžké příbuzné těchto částic? Ti taky padají stejně?
Přesně to chce zjistit tým z ETH Curych a Paul Scherrer Institutu ve Švýcarsku. A použijí k tomu jednu z nejpodivnějších částic, jaké existují.
Seznamte se: muon
Muon si představ jako elektronovo lstivé dvojče. Ve všem je tomu elektronu podobný — jen je zhruba dvěstěkrát těžšíjší. A tady to začíná být zajímavé: fyzici nemají páru, proč tyto těžší "generace" částic vůbec existují.
Standardní model — naše nejlepší teorie popisující částice — zná tři generace hmoty. První generace: známé protony, neutrony, elektrony. Druhá generace: muony a jejich kámoši. Třetí generace: ještě těžší částice zvané tau.
"Ale proč vůbec máme tyhle extra generace? A proč jich je zrovna tři?" ptá se fyzička Anna Soterová.
Skvělá otázka, co? A my neznáme odpověď. Právě tahle záhada vedla tým k úvaze: možná tyto těžší částice nereagují na gravitaci stejně jako jejich lehčí sourozenci. Možná jsme假设ovali špatně celou dobu.
Proč je testování gravitace u muonů takový oříšek
Chceš ověřit, jestli muony padají stejně rychle jako elektrony? Jednoduché, ne? Hodíš muony dolů a sleduješ, co se stane.
Kdyby to bylo tak snadné.
První problém: muony jsou společensky neúnosné. Žijí jen asi 2,2 mikrosekundy, pak se rozpadnou na jiné částice. To je 0,0000022 sekundy. Není zrovna ideální nastavit uvolněný experiment s něčím, co zmizí tak rychle.
Druhý problém: kdybys použil nabitý muon, jakékoliv elektromagnetické pole by přebilo nepatrnou gravitaci, kterou se snažíš změřit. Gravitace je slabá, pamatuj? Snadno ji ostatní síly přebijí.
Řešení? Vyrobit muonium.
Stavba nejpodivnějšího atomu
Muonium zní jako něco ze sci-fi filmu, ale je to skutečné. Vezmeš kladně nabitý antimuon (antičástici muonu) a spojíš ho s záporně nabitým elektronem. Co dostaneš?
Neutrální atom, který je vlastně křížencem hmoty a antihmoty.
Neutrální je klíčové, protože to znamená, že elektromagnetická pole nebudou rušit měření gravitace. Tým může skutečně sledovat, jak muonium padá.
Pořád tu je ale ten problém rychlosti. Tradiční metody produkovaly muonium letící všemi směry náhodnými rychlostmi — naprosto k ničemu pro přesná měření.
Průlom přišel, když vědci přišli na to, jak vytvořit "studené" muonium: atomy pohybující se téměř stejnou rychlostí a přibližně stejným směrem. Teprve tohle umožňuje skutečný gravitační experiment.
Střílíme atomy atomovým kanónem
Tady to začíná být opravdu skvělé. Pro vytvoření tohoto studeného svazku muonů tým používá supravodič helium ochlazené těsně nad absolutní nulu — minus 273 stupňů Celsia.
Supravodičové helium je vlastně kvantová kapalina, kde atomy ztrácejí svou individualitu a tekutina se stává zcela bez tření. Navíc nesnáší žádné nečistoty. Představ si ji jako primadonu mezi kapalinami.
Když antimuony z výkonného urychlovače PSI vstoupí do tohoto helia, zpomalí. Když antimuon zachytí volný elektron a vytvoří muonium, stane se něco magického: chemický potenciál uvnitř tekutiny funguje jako malý raketový motor a vytlačuje nově vytvořený atom vzhůru přes povrch.
Hlavní autor Jesse Zhang to popisuje krásně: "Používáme chemický potenciál jako atomový kanón."
Miluju to. Atomový kanón střílející exotické atomy skrz kvantovou kapalinu, aby otestoval Einsteinovu teorii. Věda je úžasná.
Co dál?
Tým teď staví interferometr — zařízení, které využívá vlnové vlastnosti atomů k měření nepatrných efektů. Když muoniové atomy stoupají a klesají pod zemskou gravitací, interferometr detekuje jakékoliv jemné posuny v jejich vlnových vzorech.
Pokud měl Einstein pravdu a princip ekvivalence platí i pro částice druhé generace, mělo by se muonium chovat úplně stejně jako běžná hmota padající v gravitačním poli.
Ale pokud by existovala sebemenší odchylka? To by byla obrovská věc. potenciální Nobelova cena a zásadní přepsání učebnic fyziky.
Upřímně, doufám, že něco najdou. Ne proto, že bych chtěl, aby Einstein neměl pravdu. Ale testujeme princip ekvivalence se stejnými typy hmoty po staletí. Je čas rozšířit obzory. Je čas zjistit, jestli vesmír zachází férově se všemi svými částicemi, nebo jen s těmi, které známe.
Experiment by konečně mohl pomoct pochopit, proč se příroda vůbec obtěžovala vytvořit více generací hmoty. Docela velká věc pro částici, která žije jen 2,2 mikrosekundy.
Někdy ty nejkratší životy učí ty nejhlubší lekce.