Исследователи из ETH Zurich и Института Пауля Шеррера получили пучок мюония с нужными характеристиками для прямого измерения земного притяжения на частицу второго поколения. Статья в Nature Physics описывает свойства источника, который сделает будущий гравитационный эксперимент возможным.

Мюоний — атом из мюона с положительным зарядом и электрона. В нём нет протонов и нейтронов, поэтому сильное взаимодействие почти не влияет на массу. Вся масса приходится на мюон — частицу второго поколения Стандартной модели. Свободное падение мюония позволит проверить гравитацию там, где раньше не добирались прямые эксперименты.

Принцип универсальности свободного падения гласит: разные тела в одном гравитационном поле получают одно ускорение независимо от состава. Для обычной материи физики проверили это с высочайшей точностью. Эксперимент ALPHA в CERN показал, что антиводород падает как обычное вещество. Но все эти измерения касались систем из частиц первого поколения. Мюон впервые позволит проверить принцип для второго поколения.

Мюон живёт около 2,2 микросекунды. За несколько миллионных долей секунды нужно сформировать атом, вывести в вакуум и измерить ничтожное смещение от земного притяжения. Старые источники выпускали атомы с большим разбросом скоростей и направлений. Для интерферометра такой пучок пришлось бы сильно отфильтровывать, и частиц для чувствительного измерения почти не осталось бы.

Команда LEMING решила проблему слоем сверхтекучего гелия при 0,2 К. Положительные мюоны остаются в жидкости и захватывают электроны из своего ионизационного следа. Образовавшийся мюоний движется к поверхности, и положительный химический потенциал гелия преобразуется в кинетическую энергию. Атомы покидают жидкость почти перпендикулярно поверхности и образуют намного более узкий пучок, чем традиционные источники на пористых материалах.

Средняя продольная скорость атомов составила около 2180 м/с. Разброс скоростей — 80–150 м/с, выход мюония в вакуум — около 8,2%. Интенсивность нового источника сравнима с лучшими традиционными, но распределение скоростей намного уже. Это сочетание интенсивности и направленности делает будущую атомную интерферометрию практически достижимой.

Для проверки гравитации пучок пропустят через атомный интерферометр с тремя решётками. Волновые свойства атомов создадут интерференционную картину, земное притяжение сместит её по вертикали. По величине смещения определят ускорение свободного падения мюония. Расчёты показывают, что новый источник способен довести точность до процентного уровня.

Испытания начнутся в 2026 году, полноценный эксперимент — через два-три года при благоприятном ходе работ. Нынешний результат не подтверждает и не опровергает общую теорию относительности. Он создаёт установку для ранее недоступной проверки.

Если ускорение мюония совпадёт с ускорением обычной материи в пределах ошибки измерения, получится новая проверка принципа эквивалентности для второго поколения частиц. Значимое расхождение потребует независимой проверки и может указать на физику за пределами существующих моделей. Сотер допускает неизвестное фундаментальное взаимодействие, но сам эксперимент не рассчитан на проверку конкретной альтернативной теории.

Пучок пригодится и для других задач. Авторы планируют лазерную спектроскопию мюония, уточнение массы мюона и проверку квантовой электродинамики связанных состояний. Характеристики источника позволят измерять переход 1S–2S с точностью лучше одного килогерца.