Антиматерия поможет проверить, одинаково ли гравитация действует на все частицы
Физики из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и Института Пауля Шеррера создали узконаправленный пучок мюония — экзотических атомов, состоящих из положительного антимюона и электрона. Новая установка позволит впервые измерить, действует ли земная гравитация на частицу второго поколения так же, как на обычное вещество. Исследователи рассчитывают определять ускорение свободного падения мюония с точностью порядка 1%.
Мюоний представляет собой электрически нейтральную систему, похожую по строению на атом водорода. Вместо протона в ней находится положительно заряженный антимюон — античастица мюона, который примерно в 207 раз тяжелее электрона. Почти вся масса мюония поэтому приходится на антимюон. Такая система позволяет проверить действие гравитации на фундаментальную частицу второго поколения без влияния сильного ядерного взаимодействия.
Главная трудность связана с чрезвычайно короткой жизнью мюона — около 2,2 микросекунды. Ранее источники мюония создавали атомы, разлетающиеся в разных направлениях и с большим разбросом скоростей, поэтому провести точный эксперимент по измерению их падения было практически невозможно.
Для получения нового пучка исследователи направили положительные мюоны из ускорителя Института Пауля Шеррера в слой сверхтекучего гелия толщиной около двух миллиметров, охлаждённого примерно до 0,2 K. Мюоны останавливались в среднем на глубине около 35 микрометров от поверхности жидкости и захватывали электроны, образовавшиеся при их прохождении через гелий. Так возникали нейтральные атомы мюония.
Сверхтекучий гелий играет ключевую роль в формировании пучка. Образовавшийся мюоний быстро движется к поверхности жидкости, а затем выходит в вакуум почти перпендикулярно ей. Средняя скорость атомов составляет около 2,2 километра в секунду, а разброс скоростей находится примерно в диапазоне от 80 до 150 метров в секунду. Благодаря этому пучок значительно более направленный и однородный, чем у прежних источников мюония.
Около 8,2% остановившихся в сверхтекучем гелии положительных мюонов превращались в мюоний, который выходил из жидкости в вакуум. По интенсивности новый источник сопоставим с лучшими существующими источниками, но обладает гораздо меньшим разбросом скоростей, что особенно важно для точных измерений.
Следующим этапом станет создание атомного интерферометра. Пучок мюония планируется направить горизонтально через три очень тонкие решётки, расположенные на расстоянии нескольких миллиметров друг от друга. Волновые свойства атомов создадут интерференционную картину, а притяжение Земли должно слегка сместить её вниз. По величине этого смещения можно будет определить ускорение мюония под действием гравитации.
Такой эксперимент станет новой проверкой слабого принципа эквивалентности — одного из основных положений общей теории относительности, согласно которому все тела должны одинаково ускоряться в одном и том же гравитационном поле независимо от своего состава. До сих пор этот принцип проверяли с нейтральными системами, состоящими преимущественно из частиц первого поколения, включая обычные атомы, нейтроны и антиводород.
В 2023 году эксперимент ALPHA в CERN показал, что антиводород падает к Земле в соответствии с обычным гравитационным притяжением в пределах достигнутой точности. Однако антипротон внутри антиводорода является составной частицей из кварков. Антимюон в составе мюония — элементарная частица второго поколения, поэтому новый эксперимент проверит принцип эквивалентности в другом режиме.
Исследователи планируют начать испытания интерферометрической схемы с новым пучком, а непосредственное измерение действия гравитации на мюоний может состояться в течение следующих двух-трёх лет. Если ускорение мюония будет отличаться от ожидаемого, это может указывать на физику за пределами существующих теорий, включая возможность дополнительного фундаментального взаимодействия.
Новый пучок также можно использовать для сверхточной лазерной спектроскопии мюония. Его высокая яркость должна позволить измерять переход между энергетическими уровнями 1S и 2S с точностью лучше килогерца, уточнять массу мюона и проводить дополнительные проверки квантовой электродинамики.
Исследование в журнале Nature Physics.