Czy grawitacja traktuje wszystkie cząstki tak samo?

Pomyśl o tym przez chwilę: gdy puszczasz kulę do kręgli i piórko (no dobrze, w próżni), oba spadają dokładnie w tym samym momencie. Galileusz odkrył to wieki temu, a Einstein zbudował na tym pomyśle całą swoją teorię grawitacji. Nazwał to zasadą równoważności i jest ona basically szkieletem naszego rozumienia wszechświata.

Ale jest jedno ale — testowaliśmy to tylko na "zwykłej" materii. Proaktonach, neutronach, elektronach. Tym wszystkim, z czego zbudowany jest dosłownie każdy przedmiot, który możesz zobaczyć czy dotknąć.

A co z dziwnymi, cięższymi kuzynami tych cząstek, które istnieją w naturze? Czy oni też spadają tak samo?

Dokładnie to chcą sprawdzić naukowcy z ETH Zurich i Instytutu Paula Scherera w Szwajcarii — i używają do tego jednej z najdziwniejszych cząstek we wszechświecie.

Poznaj mion

Przedstawiam mion. Pomyśl o nim jak o elektronie z nadwagą. Jest basically taki sam jak elektron pod każdym względem, tylko około 200 razy cięższy. I tutaj robi się ciekawie: fizycy nie mają pojęcia, dlaczego te cięższe "pokolenia" cząstek w ogóle istnieją.

Model Standardowy — nasza najlepsza teoria opisująca cząstki — mówi o trzech pokoleniach materii. Pierwsze pokolenie: dobrze znane protony, neutrony i elektrony. Drugie pokolenie: miony i ich kompani. Trzecie pokolenie: jeszcze cięższe rzeczy zwane cząstkami tau.

"Ale dlaczego w ogóle mamy te dodatkowe pokolenia? I dlaczego dokładnie trzy?" — jak to ujmuje fizyczka Anna Soter.

Świetne pytanie, prawda? Nie wiemy. I ta tajemnica doprowadziła zespół do myślenia: może te cięższe cząstki nie reagują na grawitację dokładnie tak samo jak ich lżejsi kuzyni. Może zakładaliśmy złą rzecz przez cały ten czas.

Problem z testowaniem grawitacji na mionach

Więc chcesz sprawdzić, czy miony spadają w tym samym tempie co elektrony? Proste, prawda? Po prostu puść kilka mionów i zobacz, co się stanie.

Gdyby tylko to było takie łatwe.

Pierwszy problem: miony są nieśmiałe. Żyją zaledwie około 2,2 mikrosekundy, zanim rozpadną się na inne cząstki. To 0,0000022 sekundy. Nie możesz tak po prostu przeprowadzić spokojnego eksperymentu z czymś, co znika tak szybko.

Drugi problem: gdybyś spróbował użyć naładowanego mionu, jakiekolwiek błądzące pola elektromagnetyczne przytłumiłyby mikroskopijną siłę grawitacji, którą próbujesz zmierzyć. Grawitacja jest słaba, pamiętasz? Daje się łatwo zastraszyć.

Rozwiązanie? Stwórz muonium.

Budowanie najdziwniejszego atomu w historii

Muonium brzmi jak coś z filmu sci-fi, ale to realna rzecz. Weź dodatnio naładowany antymion (antycząstkę mionu) i połącz ją z ujemnie naładowanym elektronem. Co otrzymujesz?

Neutralny atom, który jest basically hybrydą materii i antymaterii.

Neutralność jest kluczowa, bo oznacza, że pola elektromagnetyczne nie będą przeszkadzać w pomiarze grawitacji. A ponieważ muonium jest elektrycznie obojętne, zespół może faktycznie obserwować, jak spada.

Ale wciąż jest problem z prędkością. Tradycyjne metody produkowały atomy muonium pędzące we wszystkie strony z losowymi prędkościami — kompletnie bezużyteczne dla precyzyjnych pomiarów.

Przełom nastąpił, gdy naukowcy wymyślili, jak produkować "zimne" muonium: atomy poruszające się mniej więcej z tą samą prędkością i w mniej więcej tym samym kierunku. To właśnie sprawia, że eksperyment grawitacyjny staje się możliwy.

Wystrzeliwanie atomów z atomowej armaty

Tutaj robi się naprawdę cool. Aby stworzyć tę wiązkę zimnego muonium, zespół używa nadciekłego helu schłodzonego tuż powyżej zera bezwzględnego — mówimy o minus 273 stopniach Celsjusza.

Nadciekły hel to basically ciecz kwantowa, w której atomy tracą swoją indywidualność i ciecz staje się całkowicie pozbawiona tarcia. Nie toleruje też żadnych zanieczyszczeń. Pomyśl o nim jak o primadonnie wśród cieczy.

Kiedy antymiony z potężnego akceleratora PSI wchodzą do tego helu, zwalniają. Kiedy antymion chwyta wolny elektron, żeby utworzyć muonium, dzieje się coś magicznego: potencjał chemiczny wewnątrz cieczy działa jak mały silnik rakietowy, wypychając nowo utworzony atom ku górze przez powierzchnię.

Główny autor badania, Jesse Zhang, opisuje to pięknie: "Używamy potencjału chemicznego jako atomowej armaty."

Uwielbiam to. Atomowa armata wystrzeliwująca egzotyczne atomy przez ciecz kwantową, żeby przetestować teorię Einsteina. Nauka jest niesamowita.

Co dalej?

Zespół teraz buduje interferometr — urządzenie wykorzystujące właściwości falowe atomów do mierzenia niewiarygodnie małych efektów. Kiedy atomy muonium będą się wznosić i opadać pod wpływem grawitacji Ziemi, interferometr wykryje nawet najsubtelniejsze zmiany w ich wzorcach falowych.

Jeśli Einstein miał rację i zasada równoważności obowiązuje też dla cząstek drugiego pokolenia, muonium powinno zachowywać się dokładnie tak jak zwykła materia spadająca w polu grawitacyjnym.

Ale jeśli pojawi się choćby minimalne odstępstwo? To byłoby ogromne. Mówimy o potencjalnej Nagrodzie Nobla i poważnym przepisaniu podręczników fizyki.

Szczerze mówiąc, mam nadzieję, że coś znajdą. Nie dlatego, że chcę, żeby Einstein się mylił, ale dlatego, że testujemy zasadę równoważności tymi samymi typami materii od wieków. Czas się rozgałęzić. Czas sprawdzić, czy wszechświat traktuje sprawiedliwie wszystkie swoje cząstki, czy tylko te, które znamy.

Eksperyment mógłby wreszcie pomóc nam zrozumieć, dlaczego natura w ogóle zawracała sobie głowę tworzeniem wielu pokoleń materii. To dość poważna sprawa jak na cząstkę, która żyje zaledwie 2,2 mikrosekundy.

Czasem najkrócej żyjące rzeczy uczą nas najgłębszych lekcji.

Źródło: ScienceDaily