Физики делят все элементарные частицы на несколько поколений в рамках Стандартной модели. В каждом поколении есть нейтральная частица, отрицательно заряженная частица и два кварка с зарядами −1/3 и +2/3. Первое поколение образует обычные атомы: d-кварк и u-кварк формируют протоны и нейтроны, электронную оболочку составляют электроны, к этому же поколению относят электронное нейтрино.
Частицы следующих поколений отличаются от первого квантовым ароматом и массой, они значительно тяжелее. Относящийся ко второму поколению отрицательно заряженный мюон в 207 раз тяжелее электрона, своего брата из первого поколения.
Вместе с первым поколением эти дополнительные частицы формируют экзотические атомы и состояния. Например, мюоний — экзотическую систему, похожую на атом водорода. Ядром такого атома служит антимюон, электронная оболочка состоит из одного электрона. Антимюон, он же положительный мюон — античастица мюона (отрицательного мюона), а значит, заряжен положительно и может служить ядром. Мюоний даже может образовывать короткоживущие химические соединения — хлорид мюония и мюонид натрия.
У ученых нет полного понимания, почему вообще существуют второе и третье поколения элементарных частиц. Более того, не изучено, повторяют ли все поколения поведение первого в контексте гравитации — падают ли они все с одинаковым ускорением, если находятся в одной точке. Такое соответствие между гравитационной и инерционной массой лежит в основе теории гравитации Эйнштейна.
Физики из Института Пауля Шеррера (Швейцария) значительно продвинулись в изучении этого вопроса. Они сформировали на ускорителе первый подходящий для точных измерений пучок мюония. Статья об этом опубликована в журнале Nature Physics.
Исследователи создают мюоний в ускорителях. Обычно эти экзотические атомы разлетаются в разные стороны с разной скоростью и распадаются в среднем за 2,2 микросекунды. Такие объекты не подходили для точных исследований.
Чтобы создать долгоживущий пучок из летящих почти параллельно в одну сторону с одной скоростью атомов, ученые задействовали атомную пушку из сверхтекучего гелия. Охлажденный примерно до минус 273 градусов Цельсия гелий становится квантовой жидкостью, которая выталкивает из себя все инородные объекты. Физики использовали это свойство для формирования пучка.
Ученые бомбардировали тонкий слой сверхтекучего гелия положительными мюонами. Антимюоны захватывали из гелия свободные электроны и формировали атомы мюония с положительным химическим потенциалом. После этого квантовая жидкость выталкивала из себя образовавшееся инородное тело, на границе химический потенциал трансформировался в кинетическую энергию, и жидкость выталкивала атомы мюония перпендикулярно поверхности.
Мощный и яркий источник мюонов в сочетании со сверхтекучим гелием способен генерировать приблизительно 105 атомов мюония в секунду. Их большое количество компенсирует малое время жизни.
В будущем с помощью такого пучка физики будут измерять гравитационные взаимодействия мюона. Поскольку этот атом нейтрален, ученые смогут работать именно с гравитационным взаимодействием, не делая поправок на электромагнитное. Если мюон поведет себя не так, как электрон, это может повлиять на физику за пределами Стандартной модели.