Подождите, а гравитация для всех одинакова?
Вот вам задачка для размышления: если бросить bowling ball и пёрышко в вакууме, они долетят до земли за одно и то же время. Галилей понял это ещё centuries назад, а Эйнштейн построил на этом всю свою теорию гравитации. Он назвал это принципом эквивалентности — и это, по сути, фундамент нашего понимания вселенной.
Но вот загвоздка: мы проверяли этот принцип только на «обычной» материи. Протоны, нейтроны, электроны. Всё, из чего состоит всё видимое и осязаемое.
А что с теми странными, тяжёлыми родственниками этих частиц, которые существуют в природе? Падают ли они точно так же?
Именно это хотят выяснить учёные из ETH Zurich и Института Поля Шерре в Швейцарии. И они используют одну из самых причудливых частиц во вселенной.
Знакомьтесь — мюон
Позвольте представить: мюон. Считайте его толстым cousin электрона. Во всём идентичен электрону, но примерно в 200 раз тяжелее. И вот тут начинается самое интересное: физики понятия не имеют, почему эти тяжёлые «поколения» частиц вообще существуют.
Стандартная модель — наша лучшая теория устройства частиц — описывает три поколения материи. Первое поколение: привычные протоны, нейтроны и электроны. Второе: мюоны и их company. Третье: ещё более тяжёлые частицы под названием тау.
«Но зачем нам вообще нужны эти дополнительные поколения? И почему их ровно три?» — как выражается физик Анна Сётер.
Отличный вопрос, правда? Мы не знаем. И эта загадка натолкнула команду на мысль: а вдруг эти тяжёлые частицы реагируют на гравитацию иначе, чем их лёгкие собратья? Может, мы assumed неправильно всё это время.
Проблема тестирования гравитации на мюонах
Хотите проверить, падают ли мюоны с той же скоростью, что и электроны? Просто, да? Просто бросьте мюоны и посмотрите, что будет.
Если бы всё было так просто.
Первая проблема: мюоны — одиночки. Они живут всего около 2,2 микросекунды, а потом распадаются на другие частицы. Это 0,0000022 секунды. Не получится устроить спокойный experiments по сбрасыванию того, что исчезает так быстро.
Вторая проблема: если использовать заряженный мюон, любые случайные electromagnetic fields запросто затмят ничтожную гравитационную силу, которую вы пытаетесь измерить. Гравитация слабая, помните? Её легко задавить.
Решение? Создать мюоний.
Собираем самый странный атом в истории
Мюоний звучит как что-то из научной фантастики, но он реален. Возьмите положительно заряженный антимюон и combine с отрицательно заряженным электроном. Что получится?
Нейтральный атом — гибрид материи и антиматерии.
Нейтральность — ключевой момент, потому что она означает, что electromagnetic fields не будут мешать измерению гравитации. А раз мюоний электрически нейтрален, команда может actual увидеть, как он падает.
Но проблема скорости никуда не делась. Традиционные методы создавали атомы мюония, носившиеся во всех направлениях сrandom скоростями — абсолютно бесполезно для точных измерений.
Прорыв случился, когда учёные поняли, как производить «холодный» мюоний: атомы, движущиеся почти с одинаковой скоростью примерно в одном направлении. Именно это делает гравитационный experiments реально возможным.
Стреляем атомами из атомной пушки
Вот тут начинается самое крутое. Чтобы создать этот пучок холодного мюония, команда использует сверхтекучий гелий, охлаждённый почти до абсолютного нуля — речь о минус 273 градусах Цельсия.
Сверхтекучий гелий — это, по сути, квантовая жидкость, где атомы теряют свою индивидуальность, а жидкость становится completely без трения. Она также не терпит никаких примесей. Считайте её самой привередливой жидкостью в мире.
Когда антимюоны из мощного ускорителя Поля Шерре попадают в этот гелий, они замедляются. Когда антимюон подхватывает свободный электрон и формирует мюоний, происходит нечто волшебное: химический потенциал внутри жидкости работает как крошечный rocket engine, выталкивая newly formed атом вверх сквозь поверхность.
Ведущий автор исследования Джесси Чжан описывает это великолепно: «Мы используем химический потенциал как атомную пушку».
Обожаю эту фразу. Атомная пушка, стреляющая экзотическими атомами сквозь квантовую жидкость, чтобы проверить теорию Эйнштейна. Наука — это потрясающе.
Что дальше?
Команда сейчас building интерферометр — прибор, который использует волновые свойства атомов для измерения невероятно малых эффектов. Когда атомы мюония поднимаются и падают под действием земной гравитации, интерферометр зафиксирует любые тонкие сдвиги в их волновых patternах.
Если Эйнштейн был прав и принцип эквивалентности работает и для частиц второго поколения, мюоний должен вести себя exactly так же, как обычная материя, падающая в гравитационном поле.
Но если обнаружится хотя бы tiny deviation? Это будет огромно. Речь о потенциальной Нобелевской премии и серьёзном переписывании учебников физики.
Честно говоря, мне бы хотелось, чтобы они что-то нашли. Не потому что я хочу, чтобы Эйнштейн оказался неправ, а потому что мы проверяли принцип эквивалентности на одних и тех же типах материи на протяжении веков. Давно пора выйти за рамки. Пора проверить, соблюдает ли вселенная одинаковые правила для всех своих частиц, или только для тех, кого мы знаем.
Этот experiment может наконец помочь нам понять, зачем природе вообще понадобилось создавать несколько поколений материи. Довольно серьёзный результат для частицы, которая живёт всего 2,2 микросекунды.
Иногда самые короткоживущие вещи преподают нам самые глубокие уроки.
Источник: ScienceDaily