Физики в Швейцарии получили направленный пучок мюония, который позволяет приступить к прямому измерению того, как этот необычный атом падает в гравитационном поле Земли. Новый источник устранил главное техническое препятствие и должен дать возможность проверить один из фундаментальных принципов теории Эйнштейна с точностью около 1%.

Мюоний устроен как атом водорода, но вместо протона в центре находится положительно заряженный мюон или антимюон, вокруг которого связан электрон. Оба компонента относятся к лептонам. Масса мюония почти полностью сосредоточена в антимюоне, который примерно в 207 раз тяжелее электрона.

Такая структура интересна для проверки слабого принципа эквивалентности: разные тела должны одинаково ускоряться в одном гравитационном поле независимо от своего состава. Обычное вещество уже подтвердило этот принцип с чрезвычайно высокой точностью, а в 2023 году эксперимент с антиводородом показал, что атомы антиматерии тоже падают к Земле в пределах измеренной точности.

Мюоний позволяет подойти к проблеме иначе. Антиводород содержит антипротон из кварков, и большую часть его массы даёт сильное взаимодействие. В мюонии сильное взаимодействие практически не участвует, основную массу обеспечивает элементарный антимюон второго поколения Стандартной модели. Прямой опыт с мюонием проверит гравитацию в области, которую предыдущие эксперименты почти не затрагивали.

Главной сложностью было время жизни мюона — всего около 2,2 микросекунды. За несколько миллионных долей секунды требовалось создать нейтральный атом, вывести его в вакуум и измерить ничтожное отклонение траектории под действием земной гравитации. Старые источники формировали мюоний в пористых материалах, откуда атомы вылетали в разных направлениях с большим разбросом скоростей. Отбор подходящих частиц оставлял слишком слабый поток для точного эксперимента.

Новый способ использует тонкий слой сверхтекучего гелия, охлаждённого до 0,2 К. Положительные мюоны останавливаются в среднем на глубине около 35 микрометров от поверхности и соединяются с электронами, оставшимися после ионизации вещества. Мюоний движется к границе жидкости, и при выходе в вакуум энергия взаимодействия с гелием превращается в направленное движение.

Средняя скорость атомов составила около 2180 м/с, разброс скоростей оказался намного уже, чем у обычных тепловых источников. Примерно 8,2% остановившихся в гелии мюонов в итоге покидали мишень в составе мюония. Результат значим тем, что высокая интенсивность сочетается с хорошо определённым направлением и скоростью частиц.

Гравитацию планируют измерять атомным интерферометром с тремя решётками. Мюоний, проходящий через первые две решётки, создаст интерференционную картину, а притяжение Земли слегка сместит её по вертикали. По положению полос можно вычислить ускорение свободного падения, даже если отклонения меньше размера самого атома.

Расчётная конфигурация предусматривает расстояние между решётками около 9,6 мм и время пролёта между соседними элементами около 4,5 микросекунды. При ожидаемом потоке порядка 100 тысяч атомов мюония в секунду моделирование даёт относительную точность измерения ускорения около 1% после примерно 100 дней набора данных. Пока это существует только в расчётах; следующий этап покажет, сможет ли реальный интерферометр достичь заявленных параметров.

Тот же источник пригодится и для других измерений. Узкий пучок позволяет намного эффективнее освещать мюоний лазером и точнее измерять переход между уровнями 1S и 2S. По оценке авторов, число атомов, доступных для лазерного воздействия, может вырасти почти в тысячу раз по сравнению с холодным тепловым источником, а точность спектроскопии потенциально приблизится к субкилогерцевому уровню. Такие измерения позволят уточнить массу мюона и проверить квантовую электродинамику связанных частиц.

Наиболее интересный результат впереди. Теория Эйнштейна предсказывает обычное падение мюония к Земле, поэтому совпадение с расчётами укрепит принцип эквивалентности в ещё одной ранее недоступной области. Заметное и подтверждённое отклонение указало бы на физику, которую современное описание гравитации не учитывает.