Un experiment de pionierat va testa comportamentul gravitației asupra muoniului, o particulă din a doua generație, pentru prima dată. Cercetătorii de la ETH Zurich și Institutul Paul Scherrer din Elveția pregătesc măsurători care pot demonstra dacă principiul de echivalență se aplică și acestor particule mai grele.
Muoniul și importanța sa pentru fizica fundamentală
Muoniul este o particulă formată dintr-un anti-muon și un electron. Este considerat parte a celei de-a doua generații de particule, diferită de particulele obișnuite, precum protonii, neutronii și electronii din prima generație. Există încă întrebări privind existența și diferențele dintre aceste generații.
Experimente anterioare au testat principiul de echivalență cu materie obișnuită și antimaterie din prima generație. Cu toate acestea, comportamentul muoniului în câmpul gravitațional nu fusese verificat anterior. Rezultatele pot influența înțelegerea teoriilor gravitației, precum și a modelelor care includ mai multe generații de particule.
Provocările experimentale și soluțiile tehnice
Durata de viețuire a unui muon este de circa 2,2 microsecunde, ceea ce limitează timpul pentru măsurări precise. În trecut, sursele de muoni produceau atomi de muoni cu viteze și direcții variabile, complicând experimentul.
Echipa de cercetare de la PSI a găsit o soluție: a reușit să producă atomi de muoni în stare „rece”, adică cu viteze similare și aproape paralele. Această metodă permite măsurări mai precise ale efectelor gravitației asupra muoniului.
Metoda experimentului adaptată intensificării preciziei
Se folosește heliu superfluid răcit la aproape -273°C, aproape de zero absolut, pentru a crea un mediu în care atomii de heliu au proprietăți cuantice neobișnuite. Antimuonii produși de accelerator sunt introduși într-un strat subțire de heliu, unde sunt încetiniți și devin parte a atomilor de muoni atunci când antimuonul întâlnește un electron liber din heliu.
Atomii de muoni sunt apoi împinși către suprafața lichidului de heliu. Procesul este comparat cu funcționarea unui „tun atomic”, unde energia potențială se transformă în impuls pentru a proiecta atomii în afara heliului. Este esențial ca atomii să nu se lovească de alte particule în timpul deplasării lor scurte.
Acceleratorul PSI joacă un rol crucial, deoarece produce unele dintre cele mai intense fascicule continue de muoni din lume. Cercetătorii vor construi un interferometru pentru a măsura modificările de direcție și poziție ale fasciculului de muoni din cauza gravitației.
Perspective și implicații
Experimentul, planificat să înceapă în această perioadă, vizează măsurarea efectului gravitației asupra fasciculului atomic de muoni. Se așteaptă ca, prin observațiile de interferență, să se determine modul în care această particulă este influențată de câmpul gravitațional al Pământului.
Rezultatele pot avea implicații în teoria gravitației, mai ales dacă muoniul va arăta un comportament diferit față de materia obișnuită. În cazul unei diferențe, s-ar putea sugera existența unei posibile a cincea forțe fundamentale, alături de cele patru deja cunoscute.
Până în prezent, fizica contemporană descrie patru forțe fundamentale: gravitația, electromagnetismul, interacțiunea tare și cea slabă. Propunerea unei a cincea forțe rămâne însă nepochetată experimental.
Pentru cercetătoarea Anna Soter, scopul principal nu este demonstrarea unei noi forțe, ci verificarea dacă principiul de echivalență se aplică și particulelor din a doua generație de particule. Ea subliniază importanța acestei verificări pentru înțelegerea profundă a legilor naturii.
