Холодні пучки мюонію: новий спосіб перевірити гравітацію Ейнштейна

Уся звична нам матерія — від каменю до людського тіла — складається з протонів, нейтронів та електронів. Фізики зараховують їх до першого покоління частинок. Однак існують ще два покоління, до яких належать важчі аналоги відомих частинок. Наприклад, мюон — це важчий «родич» електрона.

Стандартна модель фізики описує цю будову, але вченим досі незрозуміло, чому додаткові покоління взагалі існують і скільки їх насправді. Відкритим залишається й інше питання: чи підкоряється важча матерія другого й третього поколінь тим самим гравітаційним законам, що й легка матерія першого покоління.

Принцип еквівалентності, який сформулювали ще Галілей і Ньютон, лежить в основі теорії гравітації Альберта Ейнштейна. Він твердить: усі тіла падають у гравітаційному полі з однаковим прискоренням. Досі цей принцип перевіряли лише на звичайній матерії та антиматерії першого покоління. Тепер дослідники хочуть вивчити гравітаційну поведінку частинок другого покоління, скориставшись мюонієм — нейтральним атомом, що виникає з позитивно зарядженого антимюона та негативно зарядженого електрона.

Нейтральність мюонію тут принципово важлива: заряджені частинки надто чутливі до сторонніх електромагнітних полів, які спотворюють вимірювання.

Раніше головною перепоною були надзвичайно швидкий розпад мюонів — лише 2,2 мікросекунди — та хаотичний рух частинок із різними швидкостями. Прорив здійснили дослідники з Інституту фізики імені Паркінсона (PSI): їм вдалося отримати «холодні» атоми мюонію, які рухаються практично паралельно й з однаковою швидкістю.

Як зазначають науковці в журналі Nature Physics, для цього використали надплинний гелій, охолоджений майже до абсолютного нуля. Це досягнення відкриває шлях до точних вимірювань і може похитнути класичні уявлення про гравітацію.

Що це означає для учнів і студентів

Тема мюонію та принципу еквівалентності прямо пов'язана зі шкільним курсом фізики: розділи про будову атома, елементарні частинки та гравітацію. Якщо ви готуєтеся до олімпіад, ЗНО або просто цікавитеся сучасною наукою, варто звернути увагу на кілька моментів.

По-перше, розберіться, чим відрізняються покоління частинок і чому мюон називають важчим аналогом електрона. По-друге, пригадайте формулювання принципу еквівалентності — саме на ньому тримається загальна теорія відносності. По-третє, зверніть увагу на роль експерименту: теоретичні припущення перевіряють на конкретних установках, і саме тут важливі холодні пучки частинок.

Студентам фізичних спеціальностей варто стежити за публікаціями в Nature Physics: методика з надплинним гелієм може стати основою для майбутніх лабораторних робіт і курсових із фізики елементарних частинок.

Підсумок

Новий метод отримання холодних пучків мюонію відкриває можливість перевірити принцип еквівалентності на частинках другого покоління. Якщо результати вимірювань виявляться несподіваними, це може поставити під сумнів звичні уявлення про гравітацію. Поки що ж це важливий крок у розумінні того, як поводиться матерія за межами першого покоління частинок.