Чакай, гравитацията ли е еднаква за всички?
Ето нещо интересно: ако пуснеш топка за боулинг и перо във вакуум, те удрят земята по едно и също време. Галилей го разбра преди векове, а Айнщайн градира цялата си теория върху тази идея. Нарекъл я принцип на еквивалентността и тя е в основата на разбирането ни за вселената.
Но ето какво: тествали сме я само с "обикновената" материя. Протони, неутрони, електрони. Нещата, от които е направено всичко видимо.
Ами странните, тежки роднини на тези частици? Те също ли падат по един и същи начин?
Именно това искат да проверят учени от ETH Zurich и Института "Пол Шерър" в Швейцария. И използват една от най- странните частици във вселената.
Запознайте се с миона
Представям ви миона. Мислете за него като за по-тежкия братовчед на електрона. Почти същият е във всяко отношение, но е около 200 пъти по-тежък. И тук нещата стават интересни: физиците нямат идея защо тези по-тежки "поколения" частици изобщо съществуват.
Стандартният модел — най-добрата ни теория за частиците — описва три поколения материя. Първо поколение: познатите протони, неутрони и електрони. Второ поколение: миони и техните приятели. Трето поколение: още по-тежки неща, наречени тау частици.
"Но защо изобщо имаме тези допълнителни поколения? И защо точно три?" — казва физикът Ана Сотър.
Страхотен въпрос, нали? Не знаем. И тази мистерия накара екипа да се запита: може би тези по-тежки частици не се подчиняват на гравитацията по същия начин като по-леките си роднини. Може би сме предполагали грешно през цялото време.
Проблемът с тестването на гравитация при миони
Искаш да провериш дали мионите падат със същата скорост като електроните? Лесно, нали? Просто пусни няколко миона и гледай какво става.
Ако само беше толкова просто.
Първи проблем: мионите са антисоциални. Живеят само около 2,2 микросекунди преди да се разпаднат на други частици. Това е 0,0000022 секунди. Не можеш да си позволиш спокойно да пускаш нещо, което изчезва толкова бързо.
Втори проблем: ако използваш зареден мион, всяко скитащо електромагнитно поле ще надвие слабата гравитационна сила, която се опитваш да измериш. Гравитацията е слаба, помниш? Лесно я душят други сили.
Решението? Направи мюоний.
Създаваме най-странния атом
Мюоний звучи като нещо от научно-фантастичен филм, но е съвсем реален. Вземи положително зареден антимион (античастицата на миона) и го комбинирай с отрицателно зареден електрон. Какво получаваш?
Неутрален атом, който е практически хибрид между материя и антиматерия.
Неутралността е ключова — електромагнитните полета няма да пречат на измерването на гравитацията. И тъй като мюоният е електрически неутрален, екипът може да наблюдава как пада.
Но проблемът със скоростта си остава. Традиционните методи произвеждаха мюоний, който се движеше хаотично в произволни посоки с различни скорости — напълно безполезно за прецизни измервания.
Пробивът дойде, когато учените разбраха как да произведат "студен" мюоний: атоми, движещи се с почти еднаква скорост в почти еднаква посока. Това прави гравитационния експеримент възможен.
Стреляме атоми с атомно оръдие
Тук става наистина интересно. За да създадат този сноп от студен мюоний, екипът използва свръхтечен хелий, охладен до малко над абсолютната нула — става дума за минус 273 градуса по Целзий.
Свръхтечният хелий е всъщност квантова течност, където атомите губят индивидуалните си identities и течността става напълно без триене. Не понася и никакви примеси. Мислете за него като за дивата на течностите.
Когато антимионите от мощния ускорител на PSI влязат в този хелий, те се забавят. Когато антимионът хване свободен електрон и образува мюоний, става нещо магическо: химическият потенциал във течността действа като малка ракета, изтласквайки новородения атом нагоре през повърхността.
Водещият автор Джеси Джанг го описва прекрасно: "Използваме химическия потенциал като атомно оръдие."
Обожавам го. Атомно оръдие, стрелящо екзотични атоми през квантова течност, за да тества теорията на Айнщайн. Наука е страхотно.
Какво следва?
Екипът сега строи интерферометър — уред, който използва вълновите свойства на атомите, за да измерва невероятно малки ефекти. Когато мюониевите атоми се издигат и падат под земната гравитация, интерферометърът ще засече всякакви фини промени в техните вълнови модели.
Ако Айнщайн е бил прав и принципът на еквивалентността важи и за частиците от второ поколение, мюоният трябва да се държи точно като обикновена материя, падаща в гравитационно поле.
Но ако има дори малко отклонение? Това ще е огромна работа. Става дума за потенциална Нобелова награда и сериозно пренаписване на учебниците по физика.
Честно казано, надявам се да намерят нещо. Не защото искам Айнщайн да е грешал, а защото тестваме принципа на еквивалентността със същите типове материя от векове. Време е да опитаме нещо ново. Време е да видим дали вселената се отнася справедливо към всичките си частици, или само към познатите ни.
Експериментът може най-накрая да ни помогне да разберем защо природата изобщо си е направила труда да създаде множество поколения материя. Това е доста голяма работа за частица, която живее едва 2,2 микросекунди.
Понякога най-краткотрайните неща ни учат на най-дълбоките уроци.
Източник: ScienceDaily