Согласно общей теории относительности Эйнштейна, гравитации должно быть безразлично, из чего состоит объект. Обычная материя и антиматерия должны падать одинаково.
До сих пор эксперименты в целом подтверждали это правило. Но некоторые случаи оставались практически недоступными для проверки. Теперь физики сделали важный шаг к одному из самых необычных экспериментов такого рода.
Ученые создали управляемый пучок мюония — экзотических короткоживущих частиц, содержащих антиматерию. В будущем с их помощью хотят непосредственно измерить действие гравитации на частицы нового типа.
Мюоний состоит из положительно заряженного антимюона и отрицательно заряженного электрона. Вместе они образуют электрически нейтральную систему.
Антимюон является античастицей мюона — фундаментальной частицы, похожей на электрон, но примерно в 200 раз более массивной. Поэтому почти вся масса мюония приходится именно на его компонент из антиматерии.
Это отличает эксперимент от предыдущих исследований.
В 2023 году эксперимент ЦЕРН показал, что антиводород падает к Земле так, как и ожидалось для обычного вещества. Однако антипротон, входящий в состав антиводорода, не является элементарной частицей: он состоит из кварков.
Антимюон, напротив, относится к фундаментальным частицам второго поколения. Поэтому эксперимент с мюонием позволит проверить действие гравитации в области, куда предыдущие опыты еще не добрались.
Есть, однако, серьезная проблема: мюоний существует всего около 2,2 микросекунды, после чего распадается. За столь короткое время чрезвычайно трудно заметить, как гравитация успевает изменить его движение.
Исследователи решили компенсировать короткую жизнь частиц их количеством. Для этого нужен мощный и хорошо направленный поток мюония, в котором частицы движутся примерно с одинаковой скоростью и в одном направлении.
Обычные источники для этого подходят плохо: они создают рассеянные потоки частиц с большим разбросом скоростей и направлений.
Поэтому ученые использовали необычное решение. Они направили антимюоны в слой сверхтекучего гелия, охлажденного примерно до 0,2 кельвина.
Попадая в гелий, антимюоны быстро теряют энергию и останавливаются непосредственно под его поверхностью. Там антимюон может захватить электрон и образовать мюоний.
После этого сверхтекучий гелий фактически помогает вытолкнуть новую частицу наружу. Мюонию энергетически невыгодно находиться внутри гелия, поэтому он устремляется к поверхности и вылетает в вакуум.
В результате ученые получили гораздо более упорядоченный поток частиц, чем при использовании традиционных методов.
Мюоний вылетал со скоростью около 2,2 километра в секунду, причем разброс скоростей оказался сравнительно небольшим. Примерно 8 процентов антимюонов, попадавших в гелий, в итоге выходили в вакуум в форме мюония.
Детекторы над поверхностью позволили ученым восстановить траектории частиц по продуктам их распада. Результаты подтвердили, что им действительно удалось получить узкий и быстрый пучок.
Но непосредственно измерять гравитацию пока рано.
Сейчас частицы вылетают вертикально вверх. Для будущего эксперимента их нужно заставить лететь горизонтально. Тогда за несколько микросекунд гравитация успеет совсем немного отклонить их вниз.
Команда уже работает над способом повернуть пучок.
Следующим ключевым элементом станет чрезвычайно чувствительный интерферометр. Планируется пропускать мюоний через три очень тонкие решетки, расположенные всего в нескольких миллиметрах друг от друга.
Из-за квантовых свойств частицы одновременно проявляют волновое поведение, поэтому после прохождения через решетки возникает интерференционная картина.
Если гравитация действует на мюоний так же, как предсказывает теория, притяжение Земли должно едва заметно сместить эту картину. Измерив сдвиг, физики смогут определить ускорение мюония под действием гравитации.
По расчетам исследователей, новый источник частиц в перспективе позволит измерять это ускорение с точностью примерно до одного процента.
Команда рассчитывает испытать методику с новым пучком до конца года, а полноценный гравитационный эксперимент может состояться еще через два-три года.
Если окажется, что мюоний ведет себя под действием гравитации не так, как ожидается, это может указывать на существование неизвестной пятой фундаментальной силы.
Но даже если теория Эйнштейна снова выдержит проверку, эксперимент впервые позволит проверить, сохраняется ли равенство гравитационной и инертной массы для фундаментальных частиц второго поколения.
Исследование опубликовано в Nature Physics.
