Эйнштейн выдержит эту проверку? Физики научились «ронять» необычную материю

Что произойдет, если одновременно отпустить молоток, атом и частицу экзотической материи? Согласно современной физике, в одинаковом гравитационном поле они должны падать с одинаковым ускорением, если исключить сопротивление воздуха и другие силы. Именно эта универсальность свободного падения лежит в основании общей теории относительности Эйнштейна. Но есть любопытная проблема: некоторые разновидности материи мы практически никогда не проверяли таким способом.

Окружающий мир построен в основном из частиц первого поколения — электронов, а также кварков, из которых состоят протоны и нейтроны. Однако природа зачем-то создала еще два поколения фундаментальных частиц, значительно более тяжелых. Зачем они существуют и почему поколений именно три, Стандартная модель не объясняет. Один из представителей второго поколения — мюон, своеобразный тяжелый родственник электрона.

Мюон примерно в 207 раз тяжелее электрона и крайне нестабилен: среднее время его жизни составляет всего около 2,2 микросекунды. После этого он распадается. Для бытового мира это почти ничто, однако современная экспериментальная физика умеет проводить измерения и на таких временных масштабах. Главная проблема заключалась в другом: чтобы увидеть действие гравитации, необходимо получить достаточно управляемый поток таких частиц.

Команда ETH Zurich и Института Пауля Шеррера сделала для этого важный шаг. Исследователи работают не с одиночным заряженным мюоном, а с мюонием — экзотическим нейтральным атомом, состоящим из положительного мюона и электрона. По строению он немного напоминает водород, только вместо протона в центре системы находится положительный мюон. Нейтральность здесь принципиальна: электрические и магнитные поля действуют на микроскопические частицы несравнимо сильнее земной гравитации и легко способны скрыть искомый эффект.

Но как заставить невероятно короткоживущие атомы двигаться почти одинаково? Физики использовали необычную «атомную пушку», в которой нет привычного ствола или взрывчатого вещества. Ее роль выполняет сверхтекучий гелий, охлажденный примерно до 0,2 кельвина — всего на несколько десятых градуса выше абсолютного нуля.

Положительные мюоны направляют в тонкий, около двух миллиметров, слой сверхтекучего гелия. Остановившись в жидкости, часть из них связывается с электронами и образует мюоний. Возникшие атомы находятся в необычной квантовой среде, где способны быстро двигаться к поверхности. А затем происходит самое интересное: положительный химический потенциал мюония в гелии превращается при выходе из жидкости в кинетическую энергию.

Получается своего рода микроскопическая катапульта. Атомы вылетают преимущественно перпендикулярно поверхности со сходными скоростями. В эксперименте скорость движения в вакууме составила примерно 2,1 километра в секунду. Главное достижение состоит не просто в получении мюония, а в создании интенсивного направленного пучка с существенно более узким разбросом скоростей, чем у прежних источников.

Именно эта упорядоченность открывает дорогу к гравитационному эксперименту. Физики планируют пропускать мюоний через интерферометр — устройство, использующее не только корпускулярные, но и волновые свойства материи. В квантовой механике атом можно описывать как волну, поэтому различные пути его движения способны создавать интерференционную картину, чем-то напоминающую чередование светлых и темных полос в оптических опытах.

Земная гравитация должна едва заметно сместить такую картину. По величине смещения можно определить, как именно мюоний ускоряется в поле Земли. Задача выглядит почти абсурдной: ученым предстоит увидеть действие одной из слабейших фундаментальных сил на атом, существующий лишь миллионные доли секунды. Однако новый источник мюония впервые делает подобный опыт практически достижимым.

Зачем проверять то, что Эйнштейн, казалось бы, давно объяснил? Потому что принцип эквивалентности проверен с фантастической точностью для обычной материи, но гораздо хуже исследован для экзотических систем. Мюоний особенно интересен тем, что содержит мюон второго поколения и при этом не содержит кварков. Это позволяет исследовать гравитацию в системе, принципиально отличающейся от обычных атомов.

Если мюоний будет падать именно так, как предсказывает общая теория относительности, ученые получат еще одно подтверждение универсальности гравитации — причем в совершенно новом секторе материи. Если же обнаружится достоверное отклонение, последствия будут намного серьезнее. Физикам пришлось бы искать механизм, способный объяснить, почему гравитация различает частицы разных поколений.

Одной из возможных интерпретаций могла бы стать неизвестная фундаментальная сила. Сегодня физика описывает четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Гипотетическая «пятая сила» обсуждается десятилетиями, но убедительных экспериментальных доказательств ее существования пока нет. Поэтому любое отклонение сначала придется многократно проверить и исключить гораздо более прозаические причины — электромагнитные помехи, особенности установки и систематические ошибки.

Новый пучок пригодится не только для испытания гравитации. Его можно использовать для сверхточной лазерной спектроскопии мюония, измерения массы мюона и проверки квантовой электродинамики. Иногда большой прорыв начинается не с открытия новой частицы, а с появления способа гораздо точнее обращаться с уже известной. В данном случае физики фактически научились выстраивать чрезвычайно короткоживущие экзотические атомы в управляемый поток. Теперь остается посмотреть, куда его потянет Земля.