Аннотация:
Ученые из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе и Института Пауля Шеррера недавно добились важного прогресса. Они использовали сверхтекучий гелий, близкий к абсолютному нулю, для создания легко контролируемого пучка атомов мюонов. Они планируют использовать этот особый атом, чтобы напрямую проверить, оказывает ли гравитация на элементарные частицы второго поколения такое же влияние, как и обычная материя.
Ключевым моментом этого исследования является не доказательство наличия проблем с теорией Эйнштейна, а попытка впервые распространить объект проверки принципа гравитационной эквивалентности на второе поколение элементарных частиц. Если эксперимент в конечном итоге обнаружит, что движение мышей в гравитационном поле Земли необъяснимо отличается от движения обычной материи, результаты могут дать ключ к разгадке новой физики, выходящей за рамки нынешней стандартной модели, и даже включать в себя гипотетическую «пятую фундаментальную силу».
Материя в повседневном мире состоит в основном из протонов, нейтронов и электронов. Эти частицы относятся к так называемым элементарным частицам первого поколения. В природе существуют также частицы второго и третьего поколения с большей массой, среди которых мюоны являются «родственниками» электронов второго поколения. Масса мюона примерно в 207 раз превышает массу электрона, но это не стабильный компонент обычных атомов, а элементарная частица с чрезвычайно коротким сроком жизни.
Стандартная модель может описать эти разные поколения частиц, но она не может объяснить давний фундаментальный вопрос: почему природе необходимы три поколения элементарных частиц и почему помимо первого поколения существуют также частицы второго и третьего поколений со значительно большими массами.
Поэтому ученые надеются узнать больше о фундаментальных свойствах этих частиц, изучая гравитационное поведение мюонов. Ключевой вопрос заключается в том, применим ли принцип эквивалентности Эйнштейна не только к обычной материи, но и к материи, состоящей из элементарных частиц второго поколения.
Так называемый принцип эквивалентности связан с очень знакомым явлением: если игнорировать внешние факторы, такие как сопротивление воздуха, объекты разных масс и составов будут свободно падать одинаково в одном и том же гравитационном поле. Современная физика связывает это явление с эквивалентностью гравитационной и инертной массы, которая также является одной из важных основ общей теории относительности.
В прошлом люди провели большое количество высокоточных экспериментов с использованием обычной материи, а также провели гравитационные испытания первого поколения антиматерии, но ситуация совершенно иная для второго поколения элементарных частиц. Изучать гравитацию мюонов сложно, поскольку мюоны живут в среднем всего около 2,2 микросекунды, прежде чем распадутся.
Для решения части проблемы исследователи выбрали особый тип атома, названный «музин». Мюоны состоят из положительно заряженного антимюона и отрицательно заряженного электрона. В сочетании они электрически нейтральны. Хотя его структура аналогична структуре атома водорода, большую часть его массы составляют антимюоны, которые намного тяжелее электронов.
Электрическая нейтральность является важным условием проведения экспериментов. Сама гравитация очень слаба. Если заряженные частицы непосредственно участвуют в экспериментах, чрезвычайно слабое электромагнитное поле вокруг них может оказать воздействие, гораздо большее, чем гравитационный эффект, полностью заглушая сигнал, который ученые действительно хотят измерить.
Однако с прежними методами получения муцина все еще существует серьезная проблема: скорость и направление движения вырабатываемого муцина сильно различаются. Это затрудняет ученым точное измерение его траектории, поскольку его время жизни составляет всего 2,2 микросекунды, не говоря уже о поиске чрезвычайно малых отклонений, вызванных гравитацией Земли.
Самым большим прорывом в этих исследованиях является решение проблемы управления мюонным пучком.
Исследовательская группа запустила антимюоны из ускорителя частиц Института Пола Шеррера в слой сверхтекучего гелия при температуре, близкой к абсолютному нулю. Сверхтекучий гелий — это особая квантовая жидкость, проявляющая особые свойства при экстремально низких температурах.
После входа в сверхтекучий гелий антимюоны будут быстро замедляться и могут объединяться со свободными электронами с образованием мюонов. Затем мышь подвергается воздействию особого химического потенциала сверхтекучего гелия. Когда он достигает поверхности жидкости, энергия, запасенная в этом химическом потенциале, преобразуется в кинетическую энергию, заставляя мышь лететь вертикально вверх от поверхности жидкости.
Поэтому исследователи образно называют этот процесс «атомной пушкой».
По сравнению с беспорядочными мюонами, полученными в прошлом, новый метод может создавать «холодные» пучки муцина с более постоянными скоростями и более параллельными направлениями движения. «Холод» здесь не просто означает низкую температуру, но означает, что распределение скоростей движения этих атомов более концентрировано и может распространяться почти в параллельных направлениях с относительно постоянной скоростью.
Это крайне важно для следующего гравитационного эксперимента. Поскольку мюоны могут существовать всего несколько микросекунд, исследователи должны позволить им завершить весь процесс от производства, полета до измерения за очень короткое время. Сверхтекучий гелий не только помогает создавать более регулярный пучок мюонов, но также позволяет мюонам избегать многочисленных столкновений и рассеяния, прежде чем покинуть жидкость.
Следующим шагом исследователей станет использование атомного интерферометра для проведения реальных измерений гравитации. Атомы обладают корпускулярно-волновым дуализмом и поэтому могут интерферировать, как световые волны. Ученые пропустят луч мышиных атомов через прецизионное интерференционное устройство, а затем проверят, вызывает ли гравитация Земли чрезвычайно малые сдвиги в полученной интерференционной картине.
Если это отклонение можно точно измерить, можно рассчитать движение мюонов в гравитационном поле Земли, тем самым непосредственно проверив, подчиняются ли частицы второго поколения тем же законам свободного падения, что и обычное вещество.
Исследовательская группа надеется сначала протестировать весь экспериментальный подход в этом году, используя недавно созданный атомный луч. Если все пойдет хорошо, ожидается, что в ближайшие два-три года будет проведен настоящий эксперимент по мюонной гравитации.
У этой технологии есть и другие применения. Поскольку теперь доступен более интенсивный и регулярный мюонный пучок, исследователи могут использовать его для проведения более точных экспериментов по лазерной спектроскопии. Ожидается, что эти измерения помогут ученым дополнительно определить массу мюона и другие фундаментальные физические константы.
Что действительно интересно, так это возможные «неожиданные результаты» эксперимента.
Если мышь ведет себя иначе, чем обычная материя в гравитационном поле, это будет означать, что в существующей физической теории есть какой-то неоткрытый фактор. Исследователи полагают, что аномалия может даже указывать на еще не открытую «пятую фундаментальную силу», среди других возможных теоретических объяснений.
В настоящее время физика подтвердила четыре основных взаимодействия, а именно гравитационное, электромагнитное взаимодействие, сильное взаимодействие и слабое взаимодействие. В прошлом физики предлагали различные теоретические модели возможного существования пятой фундаментальной силы, но до сих пор не было признанных прямых экспериментальных доказательств.
Однако исследовательская группа планировала этот эксперимент не для того, чтобы «найти пятую силу». Исследователи подчеркнули, что самая прямая и важная цель эксперимента на самом деле более фундаментальна: впервые измерить, подчиняются ли мюоны, состоящие из элементарных частиц второго поколения, эквивалентному соотношению между гравитационной массой и инертной массой.
Поэтому в настоящее время это исследование не опровергает теорию Эйнштейна и не открывает пятую силу. Ученые только что наконец создали экспериментальную технику, которая действительно может измерить эту проблему.
Если окончательный результат будет соответствовать предсказаниям общей теории относительности, это еще раз докажет, что принцип эквивалентности применим не только к знакомой нам материи первого поколения, но также и к элементарным частицам второго поколения; если результаты отклоняются достоверным образом, что невозможно объяснить известными ошибками, то физикам придется пересмотреть существующую теорию и искать новые физические механизмы, способные объяснить эту аномалию.
Другими словами, на самом деле целью этой так называемой «атомной пушки» является не сам Эйнштейн, а фундаментальный вопрос, который длится уже сотни лет: действительно ли различные типы материи во Вселенной ощущают гравитацию одинаково.
Комментарии