Физики из ETH Zurich и Института Пауля Шеррера получили интенсивный направленный пучок мюония, который должен позволить впервые напрямую проверить действие земной гравитации на частицу второго поколения. Само падение мюония исследователи пока не измеряли, опубликованная в Nature Physics работа показывает, что удалось создать источник с характеристиками, необходимыми для будущего гравитационного эксперимента.
Мюоний представляет собой экзотический атом из положительно заряженного мюона и электрона. В отличие от обычных атомов, внутри мюония нет протонов и нейтронов, поэтому сильное взаимодействие практически не влияет на его массу. Почти вся масса атома приходится на мюон, который относится ко второму поколению фундаментальных частиц Стандартной модели. Именно поэтому свободное падение мюония позволит проверить гравитацию в области, куда прямые эксперименты раньше не добирались.
Принцип универсальности свободного падения утверждает, что разные тела в одном гравитационном поле получают одинаковое ускорение независимо от своего состава. Для обычной материи физики проверили принцип эквивалентности с чрезвычайно высокой точностью, а эксперимент ALPHA в CERN показал, что антиводород падает к Земле с ускорением, совместимым с поведением обычного вещества. Однако подобные прямые измерения до сих пор касались систем, состоящих из частиц первого поколения. Мюон впервые позволит распространить такую проверку на второе поколение.
Главным препятствием служит время жизни мюона, около 2,2 микросекунды. За несколько миллионных долей секунды нужно сформировать атом, вывести его в вакуум и успеть измерить ничтожное смещение, вызванное земным притяжением. Прежние источники мюония выпускали атомы с большим разбросом скоростей и направлений. Для интерферометра такой пучок пришлось бы слишком сильно отфильтровывать, после чего частиц для чувствительного измерения почти не осталось бы.
Команда LEMING решила проблему с помощью тонкого слоя сверхтекучего гелия, охлаждённого примерно до 0,2 К. Положительные мюоны останавливаются внутри жидкости и захватывают электроны из оставленного ими ионизационного следа. Образовавшийся мюоний движется к поверхности, а положительный химический потенциал внутри сверхтекучего гелия при выходе превращается в кинетическую энергию. В результате атомы покидают жидкость преимущественно перпендикулярно поверхности и образуют намного более направленный пучок, чем традиционные источники на основе пористых материалов.
Измерения дали среднюю продольную скорость около 2180 м/с. Разброс скоростей, совместимый с экспериментальными данными, составил примерно 80–150 м/с, а эффективность выхода мюония в вакуум достигла около 8,2%. По оценке авторов, интенсивность нового источника сопоставима с лучшими традиционными источниками при значительно более узком распределении скоростей. Именно сочетание интенсивности и направленности делает будущую атомную интерферометрию практически реализуемой.
Для проверки гравитации исследователи планируют пропускать пучок через атомный интерферометр с тремя решётками. Волновые свойства атомов создадут интерференционную картину, а земное притяжение должно немного сместить её по вертикали. По величине смещения физики смогут определить ускорение свободного падения мюония. Расчёты авторов показывают, что новый источник способен довести точность такого измерения примерно до процентного уровня.
До непосредственной проверки принципа эквивалентности ещё несколько лет. Руководитель группы Анна Сотер сообщила ETH Zurich, что команда рассчитывает начать испытания метода с новым пучком уже в 2026 году, а полноценный гравитационный эксперимент при благоприятном ходе работ провести примерно через два или три года. Поэтому нынешний результат не подтверждает и не опровергает общую теорию относительности, а создаёт экспериментальную установку, способную провести ранее недоступную проверку.
Если ускорение мюония совпадёт с ускорением обычной материи в пределах погрешности, физики получат новую проверку принципа эквивалентности для второго поколения частиц. Если появится статистически значимое расхождение, результат потребует независимой проверки и может указать на физику за пределами существующих моделей. Сотер допускает среди возможных объяснений неизвестное фундаментальное взаимодействие, иногда называемое пятой силой, однако сам эксперимент не рассчитан на подтверждение какой-либо конкретной альтернативной теории.
Новый пучок пригодится не только для гравитационного эксперимента. Авторы рассчитывают использовать его для высокоточной лазерной спектроскопии мюония, уточнения массы мюона и проверки квантовой электродинамики связанных состояний. По оценке команды, характеристики источника могут позволить измерять переход 1S–2S с точностью лучше одного килогерца.
