Mionium a teoria Einsteina. Uczeni chcą sprawdzić, jak grawitacja działa na cząstki II generacji
Naukowcy z ETH Zurych i Instytutu Paula Scherrera, których pracami kierowali Jesse Zhang i Anna Soter, poczynili ważny krok w kierunku odpowiedzi na pytanie, czy grawitacja działa tak samo na zwykłą materię i na egzotyczne atomy. W tym celu wytworzyli wiązkę mionium, która ma umożliwić badanie swobodnego spadku materii zawierającej antycząstkę drugiej generacji.
Mionium przypomina wodór, ale zamiast protonu ma antymion, czyli antycząstkę mionu, który jest cząstką drugiej generacji. Kwarki i leptony występują w trzech grupach (generacjach). Do grupy (generacji) pierwszej należą kwark górny, dolny, neutrino elektronowe oraz elektron. Cała otaczająca nas materia zbudowana jest z obu wspomnianych kwarków oraz elektronów. Tłumaczymy to tym, że cząstki drugiej i trzeciej generacji są niestabilne, więc szybko rozpadają się na cząstki pierwszej generacji. Do grupy (generacji) drugiej należą kwark powabny, dziwny, neutrino mionowe i mion.
Dlaczego w ogóle istnieją cząstki drugiej i trzeciej generacji? Dlaczego są trzy generacje? Tego nie wiemy. A to bardzo ważne pytania. Bo skoro istnieją dwie generacje, które nie budują materii, to być może istnieje więcej cząstek. A może kwarki i leptony wcale nie są elementarne. Stąd też fizycy próbują lepiej poznać ich naturę oraz rządzące nimi zasady.
Badacze chcą sprawdzić, czy mionium podlega zasadzie równoważności, która jest jednym z fundamentów ogólnej teorii względności. Niedawno informowaliśmy, że zaobserwowano grawitację Einsteina w świecie kwantów. Teraz przyszedł czas na świat cząstek drugiej generacji.
Zgodnie z zasadą równoważności, w samym polu grawitacyjnym wszystkie ciała spadają z jednakowym przyspieszeniem, niezależnie od ich masy. Dotychczas udało się to potwierdzić dla cząstek pierwszej generacji.
Mionium otwiera nowe możliwości badawcze. Mion jest ponad 200-krotnie cięższy od elektronu, a cały atom jest elektrycznie obojętny. Ma to fundamentalne znaczenie, gdyż w przypadku pojedynczej cząstki nawet słabe pole elektromagnetyczne może przysłonić działanie grawitacji.
Problemem jest jednak czas. Mion istnieje zaledwie 2,2 mikrosekundy. W tak krótkim czasie wpływ przyciągania ziemskiego jest bardzo mały. Ponadto dotychczasowe źródła mionium emitowały atomy w różnych kierunkach i z różnymi prędkościami, co utrudniało pomiary.
Zespół Zhanga i Soter wykorzystał nadciekły hel o temperaturze 0,2 kelwina. Antymiony z akceleratora hamowały w cieczy, łączyły się z elektronami i powstawało mionium. Jednak jego obecność w cieczy jest energetycznie niekorzystna. Hel pełni więc rolę wyrzutni. Gdy atom opuszcza powierzchnię cieczy, energia związana z dodatkowym potencjałem chemicznym zmienia się w energię ruchu. Mionium zostaje wyrzucone prostopadle do powierzchni. W ten sposób uzyskano wiązkę, która porusza się z prędkością około 2180 m/s. Prędkości atomów w wiązce były zbliżone, a ich kierunki ruchu niemal równoległe. Taką cząstkę będzie więc znacznie łatwiej badać.
Obecnie naukowcy budują interferometr, za pomocą którego chcą zmierzyć wpływ grawitacji na wiązkę mionium. Anna Soter zapowiada, że pierwszy test chcą przeprowadzić jeszcze w bieżącym roku, a właściwe eksperymenty – za dwa lub trzy lata.
Ze szczegółami badań można zapoznać się na łamach Nature Physics w artykule Generation of a high-intensity, superthermal muonium beam for gravity and laser spectroscopy experiments.
Komentarze (0)