Stämmer det verkligen att allt faller lika snabbt?

Tänk dig följande: om du släpper en bowlingkula och en fjäder i ett vakuum, så träffar de marken exakt samtidigt. Galileo insåg detta för flera sekel sedan, och Einstein byggde hela sin gravitationsteori kring idén. Han kallade det ekvivalensprincipen, och den är i princip grunden för hur vi förstår universum.

Men här är grejen — vi har bara testat detta med "vanlig" materia. Protoner, neutroner, elektroner. Allt du kan se och röra vid.

Vad händer med de konstiga, tyngre syskonen till dessa partiklar som också finns i naturen? Faller de på samma sätt?

Det är precis vad ett team vid ETH Zurich och Paul Scherrer Institutet i Schweiz vill ta reda på — och de använder en av universums mest bisarra partiklar för att göra det.

Hälsa på myonen

Möt myonen. Tänk på den som elektronens överviktiga kusin. Den är i stort sett identisk med en elektron i alla avseenden, förutom att den väger ungefär 200 gånger mer. Och här blir det intressant: fysiker har ingen aning om varför dessa tyngre "generationer" av partiklar ens existerar.

Standardmodellen — vår bästa teori för hur partiklar beter sig — beskriver tre generationer av materia. Första generationen: de välbekanta protonerna, neutronerna och elektronerna. Andra generationen: myoner och deras kompisar. Tredje generationen: ännu tyngre grejer som kallas tau-partiklar.

"Men varför har vi överhuvudtaget dessa extra generationer? Och varför exakt tre?" som fysikern Anna Soter uttrycker det.

Bra fråga, eller? Vi vet inte. Och den gåtan fick teamet att fundera: kanske dessa tyngre partiklar inte reagerar på gravitationen på exakt samma sätt som sina lättare kusiner. Kanske har vi antagit fel hela tiden.

Problemet med att testa gravitation på myoner

Så du vill testa om myoner faller i samma takt som elektroner? Lätt som en plätt, eller? Släpp bara några myoner och se vad som händer.

Om det vore så enkelt.

Första problemet: myoner är antisociala. De lever bara i ungefär 2,2 mikrosekunder innan de sönderfaller till andra partiklar. Det är 0,0000022 sekunder. Man kan inte riktigt ordna ett avslappnat droppexperiment med något som försvinner så snabbt.

Andra problemet: om du försökte använda en laddad myon, skulle alla stray elektromagnetiska fält överväldiga den lilla gravitationella dragningen du försöker mäta. Gravitation är svag, kom ihåg? Den blir lätt överskuggad.

Lösningen? Skapa myonium.

Att bygga det konstigaste atomen någonsin

Myonium låter som något från en science fiction-film, men det är verkligt. Ta en positivt laddad antimyon (myonens antipartikel) och kombinera den med en negativt laddad elektron. Vad får du?

En neutral atom som i grunden är en hybrid av materia och antimateria.

Neutral är nyckeln här eftersom det betyder att elektromagnetiska fält inte kommer att störa gravitationsexperimentet. Och eftersom myonium är elektriskt neutralt kan teamet faktiskt observera det när det faller.

Men det finns fortfarande hastighetsproblemet. Traditionella metoder producerade myoniumatomer som susade runt i alla riktningar med slumpmässiga hastigheter — helt oanvändbart för precisa mätningar.

Genombrottet kom när forskarna kom på hur man producerar "kallt" myonium: atomer som alla rör sig med nästan samma hastighet i ungefär samma riktning. Det är det som gör ett gravitationsexperiment faktiskt möjligt.

Att skjuta atomer med en atomkanon

Här blir det riktigt häftigt. För att skapa denna kalla myoniumstråle använder teamet superflytande helium kylt till precis ovanför absolut noll — vi pratar om minus 273 grader Celsius.

Superflytande helium är i grunden en kvantvätska där atomer förlorar sin individuella identitet och vätskan blir helt friktionsfri. Den tolererar inte heller några föroreningar. Tänk på den som divan bland vätskor.

När antimyoner från PSI:s kraftfulla accelerator kommer in i detta helium saktar de ner. När en antimyon fångar en fri elektron för att bilda myonium händer något magiskt: den kemiska potentialen inne i vätskan fungerar som en liten raketmotor, som driver den nybildade atomen uppåt genom ytan.

Huvudförfattaren Jesse Zhang beskriver det vackert: "Vi använder den kemiska potentialen som en atomkanon."

Jag älskar det. En atomkanon som skjuter exotiska atomer genom kvantvätska för att testa Einsteins teori. Vetenskap är fantastiskt.

Vad händer nu?

Teamet bygger nu ett interferometer — en apparat som använder atomernas vågliknande egenskaper för att mäta otroligt små effekter. När myoniumatomerna stiger och faller under jordens gravitation kommer interferometern att detektera eventuella subtila förskjutningar i deras vågmönster.

Om Einstein hade rätt och ekvivalensprincipen gäller även för partiklar av andra generationen, borde myoniumet bete sig exakt som vanlig materia som faller i ett gravitationsfält.

Men om det finns en enda liten avvikelse? Det vore enormt. Vi pratar Nobelprisnivå och en omfattande omskrivning av fysikböckerna.

Ärligt talat hoppas jag de hittar något. Inte för att jag vill att Einstein ska ha fel, utan för att vi har testat ekvivalensprincipen med samma typer av materia i sekel. Det är dags att bredda oss. Det är dags att se om universum är rättvis mot alla sina partiklar, eller bara mot de vi känner till.

Experimentet kan äntligen hjälpa oss förstå varför naturen överhuvudtaget brydde sig om att skapa flera generationer av materia. Det är ganska stort för en partikel som lever i bara 2,2 mikrosekunder.

Ibland är de kortlivade tingen som lär oss de djupaste lektionerna.

** Källa:** ScienceDaily