Behandler tyngdekraften alle likt?

Her er noe å tenke på: hvis du slipper en bowlingkule og en fjær i et vakuum, treffer de bakken samtidig. Galileo skjønte det for århundrer siden. Einstein bygget hele gravitasjonsteorien sin på denne ideen. Han kalte det ekvivalensprinsippet, og det er selve grunnmuren i hvordan vi forstår universet.

Men her er greia — vi har bare testet dette med «vanlig» stoff. Protroner, nøytroner, elektroner. Alt du kan se og ta på.

Hva med de merkelige, tunge slektningene til disse partiklene? Faller de på samme måte?

Det er akkurat det et team ved ETH Zurich og Paul Scherrer Instituttet i Sveits vil finne ut. Og de bruker en av de mest bisarre partiklene i universet for å gjøre det.

Møt myonen

La meg introdusere myonen. Tenk på den som elektronets overvektige fetter. Den er helt lik et elektron på alle måter — bare omtrent 200 ganger tyngre. Og her blir det interessant: fysikere har ingen anelse hvorfor disse tyngre «generasjonene» av partikler i det hele tatt eksisterer.

Standardmodellen — vår beste teori for hvordan partikler fungerer — beskriver tre generasjoner av materie. Første generasjon: de kjente protonene, nøytronene og elektronene. Andre generasjon: myoner og vennene deres. Tredje generasjon: enda tyngre saker som kalles tau-partikler.

«Men hvorfor har vi disse ekstra generasjonene i det hele tatt? Og hvorfor akkurat tre?» som fysiker Anna Soter sier.

Bra spørsmål, ikke sant? Vi vet ikke. Og den mystikken fikk teamet til å lure: kanskje disse tyngre partiklene ikke reagerer på tyngdekraften på akkurat samme måte som de lettere slektningene sine. Kanskje vi har tatt feil hele tiden.

Problemet med å teste tyngdekraft på myoner

Så du vil teste om myoner faller like fort som elektroner? Lett, ikke sant? Bare slipp noen myoner og se hva som skjer.

Om bare det var så enkelt.

Første problem: myoner er sosiale noksayer. De lever bare i omtrent 2,2 mikrosekunder før de blir til andre partikler. Det er 0,0000022 sekunder. Du kan ikke akkurat sette opp et avslappet droppeksperiment med noe som forsvinner så fort.

Andre problem: hvis du prøvde å bruke en ladet myon, ville alle elektromagnetiske felter dominere den lille gravitasjonskraften du prøver å måle. Tyngdekraft er svak, husk? Den blir lett overkjørt.

Løsningen? Lag muonium.

Bygge det rareste atomet noensinne

Muonium høres ut som noe fra en science fiction-film, men det er ekte. Ta et positivt ladet antimyon (myonets antipartikkel) og kombiner det med et negativt ladet elektron. Hva får du?

Et nøytralt atom som er en hybrid av materie og antimaterie.

Nøytral er avgjørende her fordi det betyr at elektromagnetiske felt ikke vil forstyrre gravitasjonsmålingen. Og siden muonium er elektrisk nøytralt, kan teamet faktisk se det falle.

Men det er fortsatt hastighetsproblemet. Tradisjonelle metoder produserte muoniumatomer som føk rundt i alle retninger med tilfeldige hastigheter — fullstendig ubrukelig for presise målinger.

Gjennombruddet kom da forskerne fant ut hvordan man produserer «kaldt» muonium: atomer som alle beveger seg med nesten samme hastighet i omtrent samme retning. Dette er det som gjør et gravitasjonseksperiment faktisk mulig.

Skyt atomer med en atomkanon

Her blir det skikkelig kult. For å lage denne kalde muoniumstrålen, bruker teamet superflytende helium kjølt til bare litt over absolutt null — vi snakker minus 273 grader Celsius.

Superflytende helium er egentlig en kvantevæske der atomene mister sin individuelle identitet og væsken blir helt fri for friksjon. Den tolererer heller ikke urenheter. Tenk på den som væskens dramadronning.

Når antimyonene fra PSIs kraftige akselerator kommer inn i dette heliumet, bremser de ned. Når et antimyon tar tak i et fritt elektron for å danne muonium, skjer noe magisk: det kjemiske potensialet inne i væsken fungerer som en mini rakettmotor som skyver det nyformede atomet oppover gjennom overflaten.

Hovedforfatter Jesse Zhang beskriver det vakkert: «Vi bruker det kjemiske potensialet som en atomkanon.»

Jeg elsker det. En atomkanon som skyter eksotiske atomer gjennom kvantevæske for å teste Einsteins teori. Vitenskap er fantastisk.

Hva skjer videre?

Teamet bygger nå et interferometer — en enhet som bruker bølgeegenskapene til atomer for å måle utrolig små effekter. Når muoniumatomene stiger og faller under Jordens gravitasjon, vil interferometeret oppdage selv subtile endringer i bølgemønstrene deres.

Hvis Einstein hadde rett og ekvivalensprinsippet gjelder for andre-generasjons partikler også, bør muoniumet oppføre seg akkurat som vanlig materie som faller i et gravitasjonsfelt.

Men hvis det er selv en minimal avvik? Det ville vært enormt. Vi snakker potensielt Nobelpris-materiale og en stor omskrivning av fysikkbøkene.

Ærlig talt, jeg håper de finner noe. Ikke fordi jeg vil at Einstein skal ta feil, men fordi vi har testet ekvivalensprinsippet med de samme typene materie i århundrer. Det er på tide å utforske nytt terreng. Det er på tide å se om universet behandler alle sine partikler rettferdig, eller bare dem vi kjenner til.

Eksperimentet kan endelig hjelpe oss å forstå hvorfor naturen i det hele tatt brydde seg med å lage flere generasjoner av materie. Det er ganske stort for en partikkel som lever i bare 2,2 mikrosekunder.

Noen ganger er det de kortvarigste tingene som lærer oss de dypeste leksjonene.

Kilde: ScienceDaily