Уяви собі: ми живемо у світі, де гравітація, ця всюдисуща, непохитна сила, раптом починає поводитися інакше з однією конкретною частинкою. Звучить як наукова фантастика, правда? Або як виклик одному з найфундаментальніших стовпів сучасної фізики – Загальній теорії відносності Ейнштейна. За Ейнштейном, гравітація абсолютно байдужа до того, з чого складається об’єкт – чи то звичайна матерія, чи антиматерія. Все має падати однаково. Цей принцип, відомий як принцип слабкої еквівалентності, був багаторазово перевірений, і поки що фізики підтверджували його правоту. Гравітація, здається, “приваблює” всіх без винятку. Але що, якщо є нюанси, які ми досі не могли розгледіти? Саме цю інтригуючу прогалину прагнуть заповнити дослідники з ETH Zurich та Інституту Пауля Шеррера (PSI), створивши унікальний пучок мюонію – екзотичних, схожих на атоми частинок, що містять антиматерію. Повідомляє T4 з посиланням на sciencealert.com. Навіщо ганятися за «химерними» атомами: Проблема поколінь Принцип слабкої еквівалентності стверджує: гравітаційна та інерційна маси будь-якого тіла завжди рівні, незалежно від його складу чи структури. Це означає, що пір’їнка і камінь, скинуті в вакуумі, досягнуть землі одночасно. Звучить просто, але його перевірка для антиматерії – справжній виклик. Донедавна ми могли експериментувати переважно зі звичайною матерією. Проте у 2023 році команда експерименту ALPHA в ЦЕРН зробила прорив: вони підтвердили, що антиводень – антипротон у парі з позитроном – падає вниз під дією гравітації так само, як і звичайна матерія, з точністю приблизно до 20% від прискорення вільного падіння “g”. Це було неймовірно! Але тут є нюанс. Протони та антипротони – це не фундаментальні частинки, а складні об’єкти, що складаються з кварків. Мюоній же – зовсім інша історія. Фото: sciencealert.com Мюоній – це химерний, короткоживучий, електрично нейтральний «атом», що складається з позитивно зарядженого антимюона та негативно зарядженого електрона. Антимюон – це двійник мюона, який, своєю чергою, є аналогом електрона, але приблизно у 200 разів масивніший. І ось що цікаво: антимюон – це елементарна частинка другого покоління фундаментальних частинок. Це критично важливо! Експеримент з гравітацією за участю мюонію відкриє абсолютно нову територію вільного падіння, недоступну для інших досліджень. Фактично, вимірюючи гравітаційну поведінку мюонію, фізики вперше досліджуватимуть, як падає частинка другого покоління. Якщо гравітація “спілкується” з частинками по-різному залежно від їхнього покоління, це може повністю перевернути наше розуміння Всесвіту. Народження “холодного” пучка: Як змусити неможливе працювати Головна проблема з мюонієм – його неймовірно коротке життя: він розпадається всього за 2,2 мікросекунди. Це менше, ніж мить ока. Як за такий крихітний проміжок часу щось виміряти? Дослідники вирішили компенсувати нестачу довговічності величезним об’ємом: створити справжній “потік” мюонію, який рухатиметься щільно контрольованим пучком, переважно в одному напрямку і приблизно з однаковою швидкістю. Існуючі джерела мюонію виробляли лише розсіяні “теплові” пучки, атоми яких розліталися в різних напрямках і з різними швидкостями. Для точних вимірювань такий розкид не підходить. Рішення виявилося геніальним. Вчені спрямовують антимюони у шар надплинного гелію, охолоджений до приблизно 0,2 Кельвіна – це майже абсолютний нуль! Коли антимюони потрапляють у гелій, вони дуже швидко втрачають енергію і зупиняються безпосередньо під його поверхнею. Там антимюон “підхоплює” електрон, що залишився після його проходження крізь гелій, утворюючи мюоній. І тут починається магія надплинного гелію. Мюоній не любить знаходитися всередині нього. Взаємодія між ними надає мюонію додаткову енергію, яка буквально “виштовхує” новоутворені “атоми” на поверхню. Вириваючись у вакуум над гелієм, вони формують надзвичайно впорядкований потік. Завдяки цьому вдалося створити атоми мюонію в “холодному” стані, коли вони рухаються з однаковою швидкістю, майже паралельно, що є критично важливим для точних експериментів. Цей пучок рухається зі швидкістю близько 2,2 кілометрів на секунду, а розкид швидкостей у нього набагато вужчий, ніж у традиційних джерел. Вдалося перетворити близько 8 відсотків антимюонів, що потрапили в гелій, на мюоній, який вилетів у вакуум. Як це працюватиме: Гравітаційний інтерферометр і пошук “п’ятої сили” Наразі пучок мюонію, який виривається з гелію, спрямований вертикально вгору. Для вимірювання гравітаційного прискорення потрібно, щоб частинки рухалися горизонтально – це дасть гравітації шанс ледь помітно “потягнути” їх донизу під час їхнього швидкоплинного польоту. Команда вже працює над системою, яка дозволить “повернути” пучок убік. Наступним етапом буде розробка надзвичайно чутливого приладу – інтерферометра, здатного виміряти крихітне гравітаційне зміщення. Пристрій пропустить мюоній через три надзвичайно тонкі гратки, розташовані лише за кілька міліметрів одна від одної. Завдяки дивацтвам квантової механіки, частинки поводяться як хвилі, створюючи інтерференційну картину при проходженні крізь ці гратки. Якщо гравітація діятиме на мюоній, як очікується, її низхідна тяга має змістити цю картину на мізерну величину. Вимірявши це зміщення, дослідники зможуть визначити гравітаційне прискорення мюонію. За прогнозами, новий пучок дозволить виміряти це прискорення з точністю близько 1 відсотка. Зараз, у вересні 2026 року, дослідники сподіваються протестувати цей метод з атомним пучком до кінця поточного року. Якщо все піде добре, сам експеримент з гравітацією може відбутися через “два-три роки”, тобто приблизно у 2028-2029 роках. І ось тут криється найцікавіше: якщо мюоній падатиме інакше, ніж очікувалося, це може вказувати на фізику за межами Стандартної моделі та загальної теорії відносності. Це потенційно включає додаткову взаємодію, яку іноді описують як “п’яту силу”! Крім того, новий пучок мюонію також дозволить проводити нові експерименти з лазерної спектроскопії, що дасть змогу точніше виміряти сам мюоній та отримати дані про масу мюона та інші фундаментальні фізичні константи. FAQ Що таке мюоній і чому він особливий? Мюоній – це короткоживучий, електрично нейтральний «атом», що складається з антимюона (аналога електрона, але у 200 разів важчого) та електрона. Він особливий тим, що антимюон є елементарною частинкою другого покоління, що робить його унікальним об’єктом для перевірки принципів гравітації. Чому важливо вимірювати гравітацію мюонію, якщо антиводень вже перевірений? Антиводень, перевірений у 2023 році, складається зі складних частинок (антипротонів), які, своєю чергою, складаються з кварків. Мюоній же містить елементарну частинку другого покоління – антимюон. Дослідження його гравітаційної поведінки відкриває нові, неперевірені горизонти фізики. Як дослідники змогли отримати стабільний пучок мюонію, якщо він так швидко розпадається? Вчені розробили інноваційний метод, використовуючи надплинний гелій, охолоджений до 0,2 Кельвіна. Антимюони утворюють мюоній всередині гелію, який потім виштовхує їх у вакуум у вигляді “холодного”, вузького та швидкого пучка, що дозволяє проводити вимірювання. Що означатиме, якщо мюоній падатиме не так, як очікується? Якщо мюоній демонструватиме відмінну від прогнозованої гравітаційну поведінку, це може вказувати на існування фізики за межами сучасної Стандартної моделі та Загальної теорії відносності, потенційно вказуючи на існування “п’ятої сили” у Всесвіті. Коли очікувати результатів основного експерименту з гравітацією мюонію? Дослідники сподіваються протестувати метод з атомним пучком до кінця 2026 року, а сам експеримент з гравітацією має відбутися приблизно у 2028-2029 роках. Цей експеримент – не просто чергове вимірювання. Це смілива спроба розширити межі нашого розуміння Всесвіту, перевірити Ейнштейна “на міцність” у найнеочікуваніших умовах. Навіть якщо мюоній падатиме точно так, як і будь-яка інша матерія, це буде колосальне досягнення, що підтверджує універсальність гравітації. Але якщо виявиться щось інше, це відкриє двері до абсолютно нової фізики, змінить підручники та назавжди переформатує наше бачення фундаментальних сил. Тож, можливо, через кілька років ми дізнаємося, що Всесвіт приховує ще більше таємниць, ніж ми могли собі уявити.The post Фізики створили унікальний пучок мюонію, щоб перевірити Ейнштейна на міцність first appeared on T4 - сучасні технології та наука.