- 30,019
- 46
- 8 Ноя 2022
Новый источник мюония впервые даёт физикам направленный пучок для прямого измерения земной гравитации.
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:1200/676;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
<div itemprop="articleBody">Физики в Швейцарии получили пучок мюония, который позволяет перейти к прямому измерению того, как необычный атом падает в гравитационном поле Земли. Само ускорение свободного падения мюония пока не измеряли, но новый источник устраняет главное техническое препятствие и, по расчётам авторов, позволит проверить один из фундаментальных принципов теории Эйнштейна с точностью около 1%.
Мюоний похож на атом водорода, только вместо протона в центре находится положительно заряженный мюон, или антимюон, вокруг которого связан электрон. Оба компонента относятся к лептонам и считаются элементарными частицами. Масса мюония почти полностью приходится на антимюон, который примерно в 207 раз тяжелее электрона.
Такой состав особенно интересен для проверки слабого принципа эквивалентности. Согласно ему, разные тела должны одинаково ускоряться в одном и том же гравитационном поле независимо от состава. Обычное вещество проверяло этот принцип с чрезвычайно высокой точностью, а в 2023 году эксперимент с антиводородом показал, что атомы антиматерии также падают к Земле в пределах достигнутой точности измерений.
Мюоний позволяет посмотреть на проблему с другой стороны. Антиводород содержит антипротон, состоящий из кварков, причём большая часть его массы возникает благодаря сильному взаимодействию. В мюонии сильное взаимодействие практически не участвует, а основную массу даёт элементарный антимюон, относящийся ко второму поколению частиц Стандартной модели. Прямой опыт с мюонием поэтому проверит гравитацию в области, которую предыдущие эксперименты практически не затрагивали.
Главной помехой оставалось время жизни мюона, составляющее всего около 2,2 микросекунды. За несколько миллионных долей секунды нужно успеть 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 широким разбросом скоростей. Отбор подходящих частиц оставлял слишком слабый поток для точного гравитационного эксперимента.
Новый способ использует тонкий слой сверхтекучего гелия, охлаждённого примерно до 0,2 К. Положительные мюоны останавливаются в среднем примерно в 35 микрометрах от поверхности и соединяются с электронами, оставшимися после ионизации вещества. Получившийся мюоний движется к границе жидкости, а при выходе в вакуум энергия взаимодействия с гелием превращается в направленное движение.
Средняя скорость атомов составила около 2180 м/с, а разброс скоростей оказался намного уже, чем у обычных тепловых источников. Примерно 8,2% остановившихся в гелии мюонов в итоге покидали мишень в составе мюония. Такой результат особенно важен потому, что высокая интенсивность сочетается с хорошо определённым направлением и скоростью частиц.
Гравитацию планируют измерять при помощи атомного интерферометра с тремя решётками. Проходящий через первые две решётки мюоний создаст интерференционную картину, а притяжение Земли должно слегка сместить её по вертикали. По положению полос можно вычислить ускорение свободного падения даже при отклонениях, намного меньших размера самого атома.
Для расчётной конфигурации расстояние между решётками составляет около 9,6 мм, а 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 примерно 1% после примерно 100 дней набора данных. Пока такая чувствительность существует только в расчётах, следующий этап должен показать, сможет ли реальный интерферометр достичь заявленных параметров.
Тот же источник пригодится не только для проверки гравитации. 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 жёстче проверить квантовую электродинамику связанных частиц.
Наиболее интригующий результат всё же 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, напротив, указывало бы на физику, которую современное описание гравитации не учитывает.
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:1200/676;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
<div itemprop="articleBody">Физики в Швейцарии получили пучок мюония, который позволяет перейти к прямому измерению того, как необычный атом падает в гравитационном поле Земли. Само ускорение свободного падения мюония пока не измеряли, но новый источник устраняет главное техническое препятствие и, по расчётам авторов, позволит проверить один из фундаментальных принципов теории Эйнштейна с точностью около 1%.
Мюоний похож на атом водорода, только вместо протона в центре находится положительно заряженный мюон, или антимюон, вокруг которого связан электрон. Оба компонента относятся к лептонам и считаются элементарными частицами. Масса мюония почти полностью приходится на антимюон, который примерно в 207 раз тяжелее электрона.
Такой состав особенно интересен для проверки слабого принципа эквивалентности. Согласно ему, разные тела должны одинаково ускоряться в одном и том же гравитационном поле независимо от состава. Обычное вещество проверяло этот принцип с чрезвычайно высокой точностью, а в 2023 году эксперимент с антиводородом показал, что атомы антиматерии также падают к Земле в пределах достигнутой точности измерений.
Мюоний позволяет посмотреть на проблему с другой стороны. Антиводород содержит антипротон, состоящий из кварков, причём большая часть его массы возникает благодаря сильному взаимодействию. В мюонии сильное взаимодействие практически не участвует, а основную массу даёт элементарный антимюон, относящийся ко второму поколению частиц Стандартной модели. Прямой опыт с мюонием поэтому проверит гравитацию в области, которую предыдущие эксперименты практически не затрагивали.
Главной помехой оставалось время жизни мюона, составляющее всего около 2,2 микросекунды. За несколько миллионных долей секунды нужно успеть 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 широким разбросом скоростей. Отбор подходящих частиц оставлял слишком слабый поток для точного гравитационного эксперимента.
Новый способ использует тонкий слой сверхтекучего гелия, охлаждённого примерно до 0,2 К. Положительные мюоны останавливаются в среднем примерно в 35 микрометрах от поверхности и соединяются с электронами, оставшимися после ионизации вещества. Получившийся мюоний движется к границе жидкости, а при выходе в вакуум энергия взаимодействия с гелием превращается в направленное движение.
Средняя скорость атомов составила около 2180 м/с, а разброс скоростей оказался намного уже, чем у обычных тепловых источников. Примерно 8,2% остановившихся в гелии мюонов в итоге покидали мишень в составе мюония. Такой результат особенно важен потому, что высокая интенсивность сочетается с хорошо определённым направлением и скоростью частиц.
Гравитацию планируют измерять при помощи атомного интерферометра с тремя решётками. Проходящий через первые две решётки мюоний создаст интерференционную картину, а притяжение Земли должно слегка сместить её по вертикали. По положению полос можно вычислить ускорение свободного падения даже при отклонениях, намного меньших размера самого атома.
Для расчётной конфигурации расстояние между решётками составляет около 9,6 мм, а 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 примерно 1% после примерно 100 дней набора данных. Пока такая чувствительность существует только в расчётах, следующий этап должен показать, сможет ли реальный интерферометр достичь заявленных параметров.
Тот же источник пригодится не только для проверки гравитации. 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 жёстче проверить квантовую электродинамику связанных частиц.
Наиболее интригующий результат всё же 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, напротив, указывало бы на физику, которую современное описание гравитации не учитывает.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
