Физики из ETH Zurich и Института Пауля Шеррера создали пучок мюония — частицы, которая позволяет проверить, как гравитация действует на антиматерию. В ближайшие годы учёные хотят использовать его для одной из самых прямых проверок общей теории относительности: выяснить, действует ли земная гравитация на антиматерию точно так же, как на обычное вещество, пишет Nature.
Речь идёт о мюонии — короткоживущей системе из положительно заряженного антимюона и электрона. Почти вся её масса приходится на антимюон, то есть на античастицу, поэтому мюоний подходит для проверки того, как гравитация действует на вещество с заметной долей антиматерии. При этом сам атом электрически нейтрален, что делает эксперимент гораздо чище: электромагнитные силы не должны так легко маскировать слабое действие гравитации.
Антиматерию выстреливают из сверхтекучего гелия
Главной проблемой до сих пор было то, что мюоний живёт очень недолго, а существующие источники создавали слишком рассеянные пучки.
Исследователи решили использовать тонкий слой сверхтекучего гелия, охлаждённого примерно до 0,2 кельвина. В него направляют положительные мюоны. Они замедляются возле поверхности, захватывают электрон и превращаются в мюоний.
После этого мюоний выталкивается из гелия в вакуум. В результате получается гораздо более узкий и упорядоченный поток частиц, чем при прежних методах. Средняя скорость такого пучка составляет около 2,2 километра в секунду. Примерно 8% попавших в гелий положительных мюонов в эксперименте вышли наружу уже в форме мюония.
Именно такого источника физикам прежде не хватало.
Теперь мюонию предстоит «падение»
Согласно принципу эквивалентности, лежащему в основе общей теории относительности Эйнштейна, все тела должны одинаково реагировать на гравитацию независимо от их состава.
Для обычной материи этот принцип проверяли с огромной точностью. Антиматерия тоже уже проходила подобные тесты, в частности на антиводороде. Но мюоний позволяет проверить гравитацию на античастице второго поколения — одном из типов элементарных частиц, которые описывает Стандартная модель, основная теория современной физики микромира.
Для этого исследователи хотят направить новый пучок горизонтально и пропустить его через интерферометр. Пока мюоний летит, земная гравитация должна совсем немного отклонить его вниз. По этому смещению можно будет определить его гравитационное ускорение.
Задача осложняется тем, что мюон существует в среднем всего около 2,2 микросекунды. Поэтому измерить нужно чрезвычайно малое падение за несколько миллионных долей секунды.
Что будет, если результат не совпадёт с Эйнштейном
Наиболее ожидаемый результат — мюоний поведёт себя именно так, как предсказывает общая теория относительности.
Но если сила притяжения окажется хоть немного другой, последствия будут куда интереснее.
По словам физика Анны Сотер из ETH Zurich, такое отклонение могло бы указывать на существование ещё неизвестного фундаментального взаимодействия — условной пятой силы. Сейчас физика описывает четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.
До такого результата ещё далеко. В 2026 году исследователи рассчитывают начать испытания метода с новым пучком, а собственно эксперимент с измерением гравитации планируют провести примерно через два-три года.
Сам факт появления управляемого пучка мюония уже считается важным шагом: раньше провести подобный гравитационный эксперимент просто не позволяли свойства существующих источников. Кроме проверки Эйнштейна, новый пучок хотят использовать для более точной спектроскопии и измерения фундаментальных характеристик мюона.
