Păi, Gravitația Îi Tratează pe Toți la Fel?

Gândește-te la asta: dacă arunci o bilă de bowling și o pană în vid, lovesc pământul în exact același timp. Galileo a demonstrat asta acum sute de ani, iar Einstein a construit întreaga lui teorie a gravitației în jurul acestei idei. A numit-o principiul echivalenței și este, practic, coloana vertebrală a înțelegerii noastre despre univers.

Dar uite care-i treaba — l-am testat doar cu materia „normală". Adică protoni, neutroni, electroni. Lucrurile din care e făcut tot ce poți vedea și pipăi.

Dar cu rudele grele și ciudate ale acestor particule ce se întâmplă? Cad și ele la fel?

Exact asta vor să afle o echipă de la ETH Zurich și Institutul Paul Scherrer din Elveția — și folosesc una dintre cele mai bizare particule din univers pentru asta.

Salută Muonul

Cunoaște muonul. Gândește-te la el ca la verișorul supraponderal al electronului. E practic identic cu electronul, doar că e de vreo 200 de ori mai greu. Și acum devine interesant: fizicienii nu au habar de ce există aceste generații mai grele de particule.

Modelul Standard — cea mai bună teorie despre cum funcționează particulele — descrie trei generații de materie. Prima generație: protonii, neutronii și electronii cu care suntem obișnuiți. A doua generație: muonii și prietenii lor. A treia generație: chestii și mai grele, numite particule tau.

„Dar de ce avem aceste generații suplimentare? Și de ce exact trei?" spune fiziciana Anna Soter.

Întrebare bună, nu? N-avem răspuns. Și tocmai acest mister i-a făcut pe cercetători să se întrebe: poate că aceste particule mai grele nu reacționează la gravitație în exact același mod ca verișorii lor mai ușori. Poate că am presupus ceva greșit de la bun început.

Problema cu Testarea Gravitației pe Muoni

Așa că vrei să testezi dacă muonii cad cu aceeași viteză ca electronii? Simplu, nu? Arunci niște muoni și vezi ce se întâmplă.

Dacă doar ar fi atât de ușor.

Prima problemă: muonii nu sunt sociabili. Trăiesc doar vreo 2,2 microsecunde înainte să se transforme în alte particule. Adică 0,0000022 secunde. Nu prea poți organiza un experiment în care să arunci ceva care dispare atât de repede.

A doua problemă: dacă ai folosi un muon încărcat electric, orice câmp electromagnetic rătăcitor ar domina efectul gravitațional minuscul pe care încerci să-l măsori. Gravitația e slabă, îți amintești? Se lasă intimidată ușor.

Soluția? Fabricăm muonium.

Construim Cel mai Ciudat Atom Imaginar

Muonium sună ca ceva din filmele sci-fi, dar e real. Iei un antimuon cu sarcină pozitivă (particula opusă muonului) și-l combini cu un electron cu sarcină negativă. Ce obții?

Un atom neutru care e practic un hibrid între materie și antimaterie.

Neutrul e crucial pentru că înseamnă că niciun câmp electromagnetic nu va interfera cu măsurătoarea gravitațională. Și pentru că muoniumul e neutru din punct de vedere electric, echipa poate să-l observe cum cade.

Dar mai e problema vitezei. Metodele tradiționale produceau atomi de muonium care se mișcau haotic în toate direcțiile, la viteze diferite — complet inutile pentru măsurători precise.

Revoluția a venit când cercetătorii au descoperit cum să producă muonium „rece": atomi care se mișcă toți aproape cu aceeași viteză și în aproximativ aceeași direcție. Asta face posibil un experiment de gravitație.

Trasul cu Tunul Atomic

Și acum lucrurile devin cu adevărat tari. Pentru a crea acest fascicul de muonium rece, echipa folosește heliu superfluidel răcit până aproape de zero absolut — adică minus 273 de grade Celsius.

Heliu superfluidel este practic un fluid cuantic în care atomii își pierd identitățile individuale și lichidul devine complet lipsit de frecare. Nu tolerează nicio impuritate. Gândește-te la el ca la diva lichidelor.

Când antimuonii de la acceleratorul puternic al PSI intră în acest heliu, încetinesc. Când un antimuon „fură" un electron liber pentru a forma muonium, se întâmplă ceva magic: potențialul chimic din lichid acționează ca un mic motor de rachetă, propulzând atomul proaspăt format în sus, prin suprafață.

Jesse Zhang, autorul principal al studiului, descrie asta frumos: „Folosim potențialul chimic ca tun atomic."

Îmi place enorm. Un tun atomic care trage atomi exotici prin lichid cuantic pentru a testa teoria lui Einstein. Știința e magnifică.

Ce Urmează?

Echipa construiește acum un interferometru — un dispozitiv care folosește proprietățile ondulatorii ale atomilor pentru a măsura efecte incredibil de mici. Când atomii de muonium urcă și coboară sub influența gravitației Pământului, interferometrul va detecta orice shift subtil în tiparele lor de undă.

Dacă Einstein a avut dreptate și principiul echivalenței se aplică și particulelor din a doua generație, muoniumul ar trebui să se comporte identic cu materia obișnuită care cade într-un câmp gravitațional.

Dar dacă există cea mai mică deviație? Ar fi ceva masiv. Premiu Nobel pe masă și o rescriere majoră a manualelor de fizică.

Să fiu sincer, sper să găsească ceva. Nu pentru că-mi doresc să greșească Einstein, ci pentru că testăm principiul echivalenței cu același tip de materie de secole. E timpul să ne extindem. E timpul să vedem dacă universul joacă corect cu toate particulele lui, sau doar cu cele pe care le cunoaștem.

Experimentul ar putea în sfârșit să ne ajute să înțelegem de ce natura și-a bătut capul să creeze multiple generații de materie. E un lucru destul de important pentru o particulă care trăiește doar 2,2 microsecunde.

Uneori cele mai efemere lucruri ne învață cele mai profunde lecții.

Sursă: ScienceDaily