Putoaako painovoima samalla tavalla kaikille?
Tässä on ajatuksia herättävä juttu: kun pudotat keilahallin pallon ja höyhenen tyhjiössä, ne osuvat maahan täsmälleen samaan aikaan. Galilei tajusi tämän vuosisatoja sitten, ja Einstein rakensi koko painovoimateoriansa tämän idean ympärille. Hän kutsui sitä ekvivalenssiperiaatteeksi, ja se on pohjimmiltaan se perusta, jolle rakennamme ymmärryksemme maailmankaikkeudesta.
Mutta on yksi mutta — olemme testanneet tätä vain "tavallisella" aineella. Prootoneilla, neutroneilla, elektroneilla. Sillä aineella, josta kaikki näkyvä ja kosketeltava koostuu.
Entä sitten näiden hiukkasten outoja, painavia serkkuja? Putoavatko ne samalla tavalla?
Juuri tätä tutkii ETH Zürichin ja Paul Scherrer Instituutin tutkimusryhmä Sveitsissä — ja he käyttävät siihen yhtä universumin omituisimmista hiukkasista.
Tutustu myyoniin
Tässä on myyoni. Ajattele sitä elektronin ylipainoisena serkkuna. Se on kaikessa mukana täsmälleen samanlainen kuin elektroni, paitsi että se on noin 200 kertaa raskaampi. Ja juuri tässä kohtaa asiat alkavat kiinnostaa: fyysikot eivät tiedä, miksi nämä raskaammat hiukkassukupolvet edes ovat olemassa.
Standardimalli — paras teoriamme siitä, miten hiukkaset käyttäytyvät — kuvaa kolmea aineen sukupolvea. Ensimmäinen sukupolvi: tutut protonit, neutronit ja elektronit. Toinen sukupolvi: myyonit ja heidän kaverinsa. Kolmas sukupolvi: vieläkin raskaampia tau-hiukkasia.
"Mutta miksi meillä on näitä ylimääräisiä sukupolvia lainkaan? Ja miksi niitä on juuri kolme?" kuten fyysikko Anna Soter sen muotoilee.
Hyvä kysymys, eikö totta? Emme tiedä. Ja juuri tämä mysteeri sai tutkimusryhmän pohtimaan: ehkä nämä raskaammat hiukkaset eivät reagoikaan painovoimaan aivan samalla tavalla kuin kevyemmät serkkunsa. Ehkä olemme olleet väärässä koko ajan.
Ongelmana on myyonien painovoiman testaaminen
Haluat siis testata, putoavatko myyont samaa tahtia kuin elektronit? Eikö olekin yksinkertaista? Pudotat vain myyoneja ja katsot mitä tapahtuu.
Kunpa se olisi niin helppoa.
Ensimmäinen ongelma: myyonit ovat antisosiaalisia. Ne elävät vain noin 2,2 mikrosekuntia ennen kuin hajoavat muiksi hiukkasiksi. Se on 0,0000022 sekuntia. Et voi oikein järjestää rentouttavaa pudotuskokeilua jollekin, joka katoaa noin nopeasti.
Toinen ongelma: jos yrittäisit käyttää varattua myyonia, haihtavat sähkömagneettiset kentät tukahduttaisivat pienen painovoimavetoisen vetämisesi. Painovoima on heikko, muistathan? Se on helposti kukistettavissa.
Ratkaisu? Valmista muoniumia.
Rakennetaan outoin atomi ikinä
Muonium kuulostaa joltakin tieteisfilmistä, mutta se on totta. Ota positiivisesti varautunut antimyoni (myoonin antihiukkanen) ja yhdistä se negatiivisesti varautuneeseen elektroniin. Mitä saat?
Neutraalin atomin, joka on pohjimmiltaan aineen ja antiaineen hybridi.
Neutraali on ratkaiseva juttu, koska se tarkoittaa sitä, että sähkömagneettiset kentät eivät häiritse painovoiman mittausta. Ja koska muonium on sähköisesti neutraalia, tutkimusryhmä voi oikeasti seurata sen putoamista.
Mutta nopeusongelma on edelleen olemassa. Perinteiset menetelmät tuottivat muoniumiatomeja, jotka poukkoilivat ympäriinsä satunnaisilla nopeuksilla kaikkiin suuntiin — täysin hyödyttömiä tarkkoja mittauksia varten.
Läpimurto tapahtui, kun tutkijat keksivät tuottaa "kylmää" muoniumia: atomeja, jotka liikkuivat lähes samalla nopeudella suunnilleen samaan suuntaan. Tämä on se, mikä tekee painovoimakokeesta oikeasti mahdollisen.
Ampumista atomikanuunalla
Tässä kohtaa asiat alkavat olla todella siistejä. Kylmän muoniumisuihkun luomiseen tutkimusryhmä käyttää supranesteheliumia, joka on jäähdytetty juuri ja juuri absoluuttisen nollan yläpuolelle — puhutaan miinus 273 celsiusasteesta.
Supranestehelium on pohjimmiltaan kvanttineste, jossa atomit menettävät yksilöllisyytensä ja nesteestä tulee täysin kitkaton. Se ei myöskään siedä epäpuhtauksia. Ajattele sitä nesteiden diivana.
Kun Paul Scherrer Instituutin tehokkaan kiihdyttimen antimyonit menevät tähän heliumiin, ne hidastuvat. Kun antimyoni nappaa vapaan elektronin muodostaakseen muoniumia, tapahtuu jotain taianomaista: nesteen kemiallinen potentiaali toimii kuin pieni rakettimoottori, joka työntää vastamuodostuneen atomin ylöspäin pinnan läpi.
Johtava kirjoittaja Jesse Zhang kuvaa sitä kauniisti: "Käytämme kemiallista potentiaalia atomikanuunana."
Rakastan tuota. Atomikanuuna, joka ampuu eksoottisia atomeja kvanttinesteen läpi Einsteinin teorian testaamiseksi. Tiede on mahtavaa.
Mitä tapahtuu seuraavaksi?
Tutkimusryhmä rakentaa nyt interferometriä — laitetta, joka käyttää atomien aaltomainoja ominaisuuksia äärimmäisen pienten vaikutusten mittaamiseen. Kun muoniumatomit nousevat ja putoavat maan painovoimakentässä, interferometri havaitsee pienimmätkin muutokset niiden aaltokuvioissa.
Jos Einstein oli oikeassa ja ekvivalenssiperiaate pätee myös toisen sukupolven hiukkasiin, muoniumin pitäisi käyttäytyä täsmälleen samoin kuin tavallinen aine putoaa painovoimakentässä.
Mutta jos havaitaan pienikin poikkeama? Se olisi valtava juttu. Puhumme mahdollisesta Nobel-palkinnosta ja fysiikan oppikirjojen suuresta uudistuksesta.
Rehellisesti sanottuna toivon, että he löytävät jotain. En siksi, että haluaisin Einsteinin olevan väärässä, vaan siksi, että olemme testanneet ekvivalenssiperiaatetta samantyyppisellä aineella vuosisatoja. On aika laajentaa näköaloja. On aika nähdä, leikkeeleikö universumi reilusti kaikkien hiukkastensa kanssa, vai vain niiden kanssa, joita tunnemme.
Koe voisi lopulta auttaa meitä ymmärtämään, miksi luonto vaivautui luomaan useita aineen sukupolvia alun perin. Se on aika iso juttu hiukkaselle, joka elää vain 2,2 mikrosekuntia.
Joskus lyhytikäisimmät asiat opettavat syvällisimpiä läksyjä.
Lähde: ScienceDaily