Un nou experiment ar putea pune la încercare teoria gravitației a lui Einstein: cercetătorii vor să vadă cum „cade” o particulă exotică

Gravitația pare una dintre cele mai bine înțelese forțe din Univers, dar fizicienii încă nu știu dacă toate formele de materie reacționează exact în același fel la ea. O echipă de la ETH Zurich și Institutul Paul Scherrer din Elveția pregătește un experiment prin care vrea să afle dacă o particulă dintr-o generație mai grea decât cea din care fac parte electronii se comportă identic în câmpul gravitațional al Pământului, scrie revista Phys.

Cercetătorii vor să măsoare pentru prima dată efectul gravitației asupra muoniului, un atom exotic format dintr-un antimuon și un electron. Experimentul ar putea testa una dintre ideile fundamentale pe care se bazează teoria gravitației a lui Albert Einstein. Dacă rezultatul ar arăta o diferență față de comportamentul materiei obișnuite, implicațiile pentru fizica fundamentală ar fi importante.

Muoniul ar putea oferi un test pentru principiul de echivalență

Materia din jurul nostru este alcătuită în principal din particule precum protonii, neutronii și electronii, considerate parte din prima generație de particule. Fizica modernă include însă încă două generații, formate din particule mai grele. Muonul este unul dintre aceste exemple și poate fi privit ca un „frate” mult mai greu al electronului.

Existența acestor generații suplimentare rămâne una dintre întrebările la care Modelul Standard nu oferă încă un răspuns complet. Fizicienii nu știu de ce natura are trei generații de particule și nici de ce masele lor diferă atât de mult.

Vezi și:

Întrebarea la care să nu răspunzi în grabă când ești oprit de Poliție în trafic. Ce recomandă un avocat șoferilor

Aici intervine gravitația. Principiul echivalenței spune, în esență, că obiectele cad în același fel într-un câmp gravitațional, indiferent de masa sau compoziția lor, dacă alte forțe nu intervin. Ideea își are originile în observațiile asociate cu Galileo Galilei și Isaac Newton și reprezintă un element fundamental al teoriei gravitației a lui Einstein.

Până acum, acest principiu a fost testat cu materie obișnuită și cu antimaterie din prima generație. Muoniul le oferă cercetătorilor posibilitatea de a verifica dacă regula se aplică și unei particule din a doua generație.

Problema este că un muon nu trăiește foarte mult. Durata sa de viață este de aproximativ 2,2 microsecunde, ceea ce lasă foarte puțin timp pentru efectuarea unei măsurători. În plus, sursele de muoni folosite anterior produceau atomi de muoni care se deplasau în direcții și cu viteze foarte diferite, lucru care complica un experiment de precizie.

Vezi și:

Einstein trece un nou test în lumea cuantică. Fizicienii au observat pentru prima dată efectul gravitației asupra unui obiect aflat în cădere cuantică

Cercetătorii de la PSI au găsit acum o soluție. Ei au reușit să producă atomi de muoni într-o stare „rece”, ceea ce înseamnă că aceștia se deplasează cu viteze similare și aproape paralel. Tocmai această caracteristică ar putea face posibilă măsurarea efectului gravitației.

Un „tun atomic” construit din heliu superfluid

Metoda folosită de echipă se bazează pe heliu superfluid răcit aproape de zero absolut, la aproximativ -273 de grade Celsius. În această stare, heliul se comportă ca un fluid cu proprietăți cuantice neobișnuite, iar atomii săi nu mai pot fi tratați ca particule independente în sensul obișnuit.

Antimuonii produși de acceleratorul de particule de la PSI sunt trimiși într-un strat subțire de heliu superfluid. Acolo sunt încetiniți, iar atunci când un antimuon întâlnește un electron liber din heliu se formează un atom de muoni.

Atomul este apoi împins către suprafața lichidului. Pe măsură ce ajunge la suprafață, energia asociată potențialului său chimic se transformă în energie cinetică, iar muoniul este proiectat vertical în afara heliului. Cercetătorii compară mecanismul cu un fel de „tun atomic”, în care potențialul chimic oferă impulsul necesar.

Pentru experiment este esențial ca atomii să se poată deplasa prin heliu fără să se lovească de alte particule. În caz contrar, durata lor de viață extrem de scurtă ar face aproape imposibilă detectarea lor după ieșirea din lichid. Acceleratorul de la PSI joacă și el un rol important, deoarece produce unul dintre cele mai intense fascicule continue de muoni din lume.

Următorul pas este construirea unui interferometru capabil să măsoare efectul gravitației asupra fasciculului. Dispozitivul va exploata natura ondulatorie a atomilor pentru a produce un tipar de interferență. Gravitația Pământului ar trebui să provoace o deplasare extrem de mică a acestui tipar, iar cercetătorii vor putea folosi modificarea pentru a determina cum este influențat muoniul de gravitație.

Echipa speră să testeze metoda cu fasciculul atomic în cursul acestui an, iar dacă rezultatele sunt bune, experimentul propriu-zis privind gravitația ar putea avea loc peste aproximativ doi sau trei ani.

Dacă muoniul s-ar comporta diferit față de materia obișnuită, rezultatul ar fi surprinzător și ar putea oferi indicii despre o posibilă a cincea forță fundamentală. În prezent, fizica descrie patru interacțiuni fundamentale: gravitația, electromagnetismul, interacțiunea tare și interacțiunea slabă. O a cincea forță a fost propusă de mai multe ori, însă nu a fost demonstrată experimental.

Pentru Anna Soter, demonstrarea unei astfel de forțe nu reprezintă însă obiectivul principal. Cercetătoarea spune că vrea, înainte de toate, să afle dacă echivalența dintre masa gravitațională și masa inerțială se aplică și particulelor din a doua generație.

Noua metodă ar putea fi utilă și dincolo de experimentul gravitațional. Fasciculul de muoni produs cu ajutorul heliului superfluid ar putea permite măsurători mai precise prin spectroscopie laser, oferind informații suplimentare despre masa muonului și despre alte constante fundamentale ale fizicii.

SUV-ul electric BYD de 32.000 de euro care promite 950 km autonomie cucerește China. Are peste cinci metri și vine în Europa