Сверхтекучий гелий и антимюоны: новый путь к пониманию гравитации

Новый метод позволяет получить упорядоченный поток экзотических атомов

Физики открыли путь к новым исследованиям в области антивещества: они создали и протестировали пучок мюония — поток экзотических атомов, содержащих антивещество. Это наконец позволит наблюдать, как гравитация воздействует на них, прежде чем они исчезнут.

© Whitehotpix/ZUMAPRESS.com/Global Look Press

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, гравитация не делает различий между материей и антиматерией, и все должно падать точно одинаковым образом. Однако физика не устанавливает правила, а лишь описывает их. Как отметила физик Анна Сотер из Цюрихской высшей технической школы, сейчас сделан важный шаг к проведению захватывающего эксперимента, цель которого — измерить гравитационное взаимодействие мюона.

Однако для этого исследователям нужен мюоний — необычная, короткоживущая атомоподобная частица, состоящая из положительно заряженного антимюона в паре с отрицательно заряженным электроном. Почти вся масса мюония приходится на его антивещественный компонент, что сильно отличает его от антивещества, которое физики уже испытывали под действием силы тяжести. 

Ранее в 2023 году эксперимент показал, что антиводород-антипротон в паре с позитроном падает на Землю так же, как и обычная материя. Это было новаторским открытием, но протоны и антипротоны не считаются фундаментальными частицами, поскольку это сложные объекты, состоящие из кварков, а антимюон, напротив, называют элементарной частицей, принадлежащей ко второму поколению фундаментальных частиц, поэтому гравитационный эксперимент с мюонием привел бы к переходу на территорию свободного падения, которую не удавалось исследовать ни в одном другом эксперименте. Как объясняет Сотер, экзотический мюоний очень хорошо подходит для этого, потому что это нейтральный атом: чтобы что-то спадало, нужно что-то нейтральное.

Отмечается, что мюоний распадается всего около 2,2 микросекунды.  Поскольку атомы мюония имеют такой короткий срок службы, нужно начать с большого количества, чтобы достаточное их количество сохранялось достаточно долго для измерения после падения в течение нескольких микросекунд. 

Сотер рассказывает, что «существующие мюониевые источники не очень хороши в этом, поскольку создают рассеянные тепловые лучи, распыляющие атомы в широком диапазоне углов и скоростей». Поэтому исследователи придумали другой план — запустить антимюоны в слой сверхтекучего гелия, охлажденного примерно до 0,2 Кельвина, где антимюоны быстро теряют энергию и останавливаются прямо под его поверхностью, и там антимюон может подхватить электрон, который остался на его пути, когда он пролетел сквозь гелий, образуя мюоний. 

Затем сверхтекучая жидкость делает нечто чрезвычайно полезное, поскольку мюонию на самом деле не нравится находиться внутри сверхтекучего гелия, и взаимодействие между ними придает мюонию дополнительную энергию, эффективно выталкивая новообразованные атомы к поверхности, а когда они достигают ее, они вырываются в вакуум наверху со скоростью, во многом определяемой этим энергетическим всплеском, в отличие от случайного теплового движения, которое превращает обычные мюониевые источники в горячую кашу. В результате получается удивительно упорядоченный поток мюония, вылетающий со скоростью около 2,2 километра в секунду с гораздо меньшим разбросом скоростей.

Но эксперимент еще не совсем готов к измерению того, как гравитация воздействует на частицы, поскольку луч в данный момент направлен не в ту сторону: сверхтекучий гелий выбрасывает мюоний вертикально вверх, а чтобы измерить его ускорение под действием силы тяжести, исследователям нужно, чтобы частицы перемещались горизонтально, давая гравитации возможность слегка притянуть их вниз во время их мимолетного путешествия.