Учёные готовят первый тест гравитации Эйнштейна на экзотической материи

Учёные из ETH Zurich и Института Пауля Шеррера (PSI) в Филлигене готовят уникальный эксперимент по проверке гравитационного взаимодействия мюония — экзотического атома, состоящего из антимюона и электрона. Это первый тест принципа эквивалентности Эйнштейна на частице второго поколения.

Обычная материя состоит из протонов, нейтронов и электронов — частиц первого поколения. Мюон — более тяжёлый родственник электрона из второго поколения. В PSI его получают на ускорителе: положительно заряженный антимюон, соединяясь с электроном, образует нейтральный атом мюония.

«Мы физики до сих пор не понимаем, почему вообще существуют эти дополнительные поколения частиц, — говорит профессор Анна Зотер. — И почему их три?»

Стандартная модель описывает эти поколения, но не объясняет их существование. Отсюда ключевой вопрос: реагируют ли более тяжёлые частицы на гравитацию так же, как лёгкие?

Для обычной материи тела в одной точке гравитационного поля падают одинаково — это универсальность свободного падения, лежащая в основе принципа эквивалентности Эйнштейна. До сих пор её проверяли только на обычной материи и антиматерии первого поколения. Мюоний даст первый тест с частицей второго поколения.

«Экзотический мюоний идеально подходит, потому что он нейтрален, — поясняет Зотер. — Ведь чтобы что-то падало, нужно что-то нейтральное».

Нейтральность критична: гравитация крайне слаба по сравнению с электромагнетизмом, и заряженная частица была бы подвержена влиянию паразитных полей. Главная сложность — мюоны живут всего около 2,2 микросекунды, а прежние методы давали атомы мюония с разными скоростями и направлениями.

Решение нашли в PSI: мюоний получают в «холодном» состоянии — атомы движутся почти параллельно с близкими скоростями. Метод описан в журнале Nature Physics.

«Для этого мы использовали сверхтекучий гелий, охлаждённый почти до абсолютного нуля — минус 273 градуса Цельсия, — объясняет ведущий автор Джесси Чжан. — Сверхтекучий гелий — квантовая жидкость, в которой отдельные атомы гелия теряют свою индивидуальность и которая не терпит примесей».

Антимюоны из ускорителя направляют в тонкий слой сверхтекучего гелия. Там частицы замедляются, антимюон встречает свободный электрон и образует атом мюония с положительным химическим потенциалом. Этот потенциал выталкивает атом из жидкости, а на поверхности превращается в кинетическую энергию — атом вертикально выбрасывается вверх.

«Так мы используем химический потенциал как атомную пушку», — говорит Чжан.

Атомы должны пройти сквозь квантовую жидкость без столкновений и с предсказуемой скоростью, иначе они распадутся, не достигнув поверхности. Помогает и ускоритель PSI, дающий самые интенсивные непрерывные мюонные пучки в мире.

Сейчас исследователи строят интерферометр, чтобы измерить, как гравитация Земли влияет на пучок мюония. Прибор использует волновые свойства атомов для создания интерференционной картины; притяжение Земли должно вызвать крошечный сдвиг, по которому определят действие гравитации на мюон.

«Мы надеемся впервые протестировать метод с атомным пучком уже в этом году, а если всё пойдёт хорошо, сам гравитационный эксперимент последует через два-три года», — говорит Зотер.

Новый пучок также позволит проводить более точные лазерные спектроскопические эксперименты с мюонием, что улучшит понимание массы мюона и фундаментальных физических констант.

Если мюоний будет реагировать на гравитацию иначе, чем обычная материя, последствия могут быть глубокими. «Это действительно было бы удивительно и, помимо прочих теорий, могло бы указывать на существование пятой силы», — отмечает Зотер.

Современная физика знает четыре фундаментальных взаимодействия: гравитацию, электромагнетизм, сильное и слабое. Пятую силу неоднократно предлагали, но никогда не подтверждали. Однако её поиск — не главная цель эксперимента: важнее проверить, действует ли один из центральных принципов Эйнштейна на другое поколение частиц.

«Я абсолютно непредвзята, — говорит она. — Я просто хочу впервые измерить, применимо ли равенство гравитационной и инертной массы ко второму поколению частиц — уже это само по себе вдохновляющая работа».

Источники:

Материалы предоставлены ETH Zurich.

J. Zhang, A. Antognini, M. Bartkowiak, D. Goeldi, K. Kirch, A. Knecht, D. Taqqu, R. Waddy, F. Wauters, P. Wegmann, A. Soter. Generation of a high-intensity, superthermal muonium beam for gravity and laser spectroscopy experiments. Nature Physics, 2026; DOI: 10.1038/s41567-026-03433-x