Физики из ETH Zurich создали пучок мюония для проверки принципа эквивалентности

Физики из ETH Zurich и Института Пауля Шеррера (PSI) совершили прорыв, который может поставить под сомнение один из краеугольных камней современной науки — принцип эквивалентности Эйнштейна. Исследователи создали первый в мире источник яркого пучка мюония, экзотического атома, который позволит впервые проверить, как гравитация действует на частицы второго поколения. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Physics.

Мюоний представляет собой уникальную квантовую систему: он состоит из положительно заряженного антимюона и электрона, образуя нейтральный атомоподобный объект. Главная сложность в работе с ним заключается в том, что мюон — частица второго поколения — живет всего около 2,2 микросекунды. Этого катастрофически мало, чтобы успеть измерить его падение под действием земного притяжения. Предыдущие попытки создать источник мюония давали слишком разреженный и хаотичный поток, непригодный для точных гравитационных экспериментов.

Ключом к решению проблемы стал сверхтекучий гелий, охлажденный примерно до 200 милликельвинов — температуры, близкой к абсолютному нулю. Антимюоны из ускорителя останавливаются в тонком слое этой квантовой жидкости, захватывают электроны и формируют мюоний. Благодаря уникальным свойствам сверхтекучего гелия, атомы покидают его практически вертикально, создавая «сверхтепловой» пучок с узким распределением скоростей — порядка сотен метров в секунду при разбросе всего 80–150 м/с.

Именно эта когерентность и делает возможным то, что казалось фантастикой еще несколько лет назад. По данным Nature Physics, новый источник должен обеспечить измерение гравитационного ускорения мюония с точностью на уровне процентов. Следующим шагом станет интерферометр, который зафиксирует крошечное смещение интерференционной картины мюониевых волн под действием гравитации.

Если мюоний будет падать иначе, чем обычная материя, это укажет на нарушение универсальности свободного падения. Такой результат потребует расширения современной физики, включая гипотезы о существовании дополнительного, пятого фундаментального взаимодействия. Исследователи рассчитывают впервые испытать пучок в атомном эксперименте уже в 2026 году, а полноценное измерение гравитации провести примерно через два-три года.

Этот эксперимент — не просто техническое достижение. Он открывает окно в неизведанную область физики, где гравитация может вести себя иначе, чем предсказывает общая теория относительности. И если это подтвердится, у науки появится шанс понять, почему наш мир состоит из материи, а не из антиматерии, и как связать гравитацию с квантовой механикой.

По материалам: iXBT