Fyzici vytvořili intenzivní a dobře usměrněný svazek muonia, exotického atomu složeného z kladně nabitého antimuonu a elektronu. Výsledek podle studie zveřejněné v časopise Nature Physics otevírá cestu k experimentu, který by měl poprvé přímo testovat gravitaci na částicích druhé generace standardního modelu.
Muon je těžší příbuzný elektronu a patří mezi takzvané leptony druhé generace. Muonium je elektricky neutrální, což je pro měření gravitace zásadní: gravitační působení je ve srovnání s elektromagnetickými silami velmi slabé a u nabitých částic by ho snadno překryla okolní elektrická a magnetická pole. Hmotnost muonia přitom téměř celá pochází z antimuonu, jehož kladný protějšek je částicí druhé generace.
Atomový svazek z kapalného helia
Dosavadní pokusy narážely na dvě hlavní potíže. Antimuon se rozpadá přibližně za 2,2 mikrosekundy a běžné zdroje muonia vytvářely atomy s širokým rozdělením rychlostí a směrů. Takový svazek je pro přesné měření gravitačního účinku obtížně použitelný.
Výzkumníci z ETH Zürich a Paul Scherrer Institute proto nasměrovali kladné miony do tenké vrstvy supratekutého helia ochlazeného přibližně na 0,2 kelvinu, tedy jen zlomek stupně nad absolutní nulou. Částice se v kapalině zastaví a zachytí elektrony, čímž vznikne muonium. To pak difunduje k povrchu a při úniku do vakua získá díky rozdílu chemického potenciálu převážně svislý směr a poměrně dobře definovanou rychlost.
Autoři vznik svazku ověřovali mimo jiné sledováním pozitronů vznikajících při rozpadu antimuonů. Naměřené časové průběhy ukázaly, že muonium skutečně opouští povrch helia a postupuje vzhůru. Studie neoznámila měření gravitačního zrychlení; popisuje přípravu zdroje, který má takové měření teprve umožnit.
Interferometr změří nepatrný posun
Plánovaný experiment využije atomovou interferometrii. Ta pracuje s vlnovými vlastnostmi atomů a vytváří interferenční obrazec, jehož nepatrné posunutí může odhalit působení gravitace. Podle autorů by připravovaný svazek mohl umožnit měření gravitačního zrychlení muonia s přesností kolem jednoho procenta. Záměrem je ověřit takzvaný princip ekvivalence, podle něhož se tělesa ve stejném gravitačním poli pohybují stejně bez ohledu na své složení.
Pokud by muonium reagovalo na gravitaci jinak než běžná hmota, neznamenalo by to automaticky objev nové síly. Takový výsledek by však představoval významnou odchylku od současného popisu a mohl by podporovat některé teorie přesahující standardní model, včetně hypotetické páté základní interakce. Bezprostředním cílem je skromnější, ale zásadní otázka: zda princip ekvivalence platí také pro částice druhé generace.
Nový zdroj může mít využití i mimo gravitační experiment. Díky vyšší jasnosti a menšímu rozptylu svazku by mohl zpřesnit laserovou spektroskopii muonia, například měření přechodu mezi energetickými hladinami 1S a 2S. Ta by mohla přispět k přesnějšímu určení hmotnosti mionu a k testům kvantové elektrodynamiky vázaných systémů.
Zdroj: ScienceDaily
Tento článek byl vytvořen s pomocí umělé inteligence a redakčně zkontrolován.