นักวิจัยสวิสใช้ลำอะตอมเย็นทดสอบทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของไอน์สไตน์

นักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีสวิส ซูริก (ETH Zurich) และสถาบันวิจัย Paul Scherrer (PSI) ในเมืองวิลลิเจน ประสบความสำเร็จในการสร้างลำอะตอมเย็นที่มีความเข้มสูง โดยวางแผนนำไปใช้ทดสอบทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของไอน์สไตน์ ลำอะตอมเย็นนี้ประกอบด้วยมิวออนเลียม (muonium) ซึ่งเป็นอะตอมของอนุภาครุ่นที่สอง นักวิจัยต้องการทดสอบปฏิสัมพันธ์ของมันกับแรงโน้มถ่วง เพื่อทำความเข้าใจว่ายังมีแรงธรรมชาติอื่นที่ยังไม่ถูกค้นพบหรือไม่ สสารที่อยู่รอบตัวเราประกอบด้วยโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน ซึ่งนักวิทยาศาสตร์เรียกว่าอนุภาครุ่นที่หนึ่ง

คุณสมบัติของมิวออนและความท้าทายของการทดลอง

อนุภาคอีกสองรุ่นที่เหลือมีมวลมากกว่า แต่ก็ไม่เสถียรเช่นกัน โดยจะสลายตัวอย่างรวดเร็วกลายเป็นอนุภาครุ่นที่หนึ่ง มิวออนเป็นญาติที่หนักกว่าของอิเล็กตรอนในอนุภาครุ่นที่สอง นักวิจัยของ PSI ใช้เครื่องเร่งอนุภาคสร้างมิวออนและปฏิอนุภาคของมันได้สำเร็จ เมื่อแอนติมิวออนจับกับอิเล็กตรอนจะก่อตัวเป็นอะตอมมิวออนที่เป็นกลาง นักวิจัยหวังว่าจะวัดการตกภายใต้แรงโน้มถ่วงของอะตอมมิวออน

ตั้งแต่ยุคของกาลิเลโอ ถึงนิวตัน และไอน์สไตน์ นักฟิสิกส์ได้ยืนยันหลักการของการตกอย่างอิสระ หลักการสมมูลภาพนี้ระบุว่าวัตถุทุกชนิดในสนามแรงโน้มถ่วง ไม่ว่าจะมีมวลหรือโครงสร้างภายในอย่างไร ต่างตกด้วยความเร่งเท่ากัน ไอน์สไตน์ถือว่าหลักการนี้เป็นเสาหลักของทฤษฎีสัมพัทธภาพอันมีชื่อเสียงของเขา แต่จนถึงขณะนี้มีการทดสอบเฉพาะกับอนุภาคสสารและปฏิสสารรุ่นที่หนึ่งเท่านั้น การวัดกับอะตอมมิวออนจะเป็นการทดสอบครั้งแรกกับอนุภาครุ่นที่สอง มิวออนเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการทดลองนี้ เพราะมันเป็นกลางทางไฟฟ้า ตรงกันข้าม อนุภาคที่มีประจุอาจได้รับผลกระทบจากสนามแม่เหล็กรบกวน ซึ่งบดบังผลของแรงโน้มถ่วงที่อ่อน

แผนการทดลองในอนาคต

อุปสรรคสำคัญประการหนึ่งของการทดลองดังกล่าวคือการสลายตัวอย่างรวดเร็วของมิวออน เนื่องจากมันสลายตัวภายใน 2.2 ไมโครวินาที ความพยายามในอดีตที่จะสร้างมิวออนต่างก็เคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่แตกต่างกัน ทำให้การทดลองทำได้ยาก นักวิจัยของ PSI ใช้ของไหลควอนตัมสร้างกระแสอะตอมมิวออนที่เสถียร เจสซี จาง นักวิจัยของ PSI อธิบายในข่าวประชาสัมพันธ์ว่า "เราใช้ฮีเลียมยิ่งยวดที่อยู่ใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ (−273 องศาเซลเซียส)" ฮีเลียมยิ่งยวดเป็นของเหลวควอนตัม ซึ่งอะตอมฮีเลียมแต่ละตัวสูญเสียเอกลักษณ์ของมัน และไม่ชอบสิ่งเจือปนภายใน" แอนติมิวออนที่สร้างในเครื่องเร่งอนุภาคของ PSI ถูกยิงเข้าไปในของเหลวควอนตัม พบกับอิเล็กตรอนอิสระ และก่อตัวเป็นอะตอมมิวออน

ศักย์เคมีเชิงบวกที่เกิดจากปฏิกิริยานี้ดันอะตอมมิวออนไปสู่พื้นผิว โดยศักย์เคมีเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ ทำให้มันพุ่งออกจากของเหลวในแนวตั้ง

นักวิจัยขณะนี้วางแผนสร้างอินเทอร์เฟอโรมิเตอร์ โดยใช้สมบัติคล้ายคลื่นของอะตอมมิวออนสร้างแบบแผนการแทรกสอด เพื่อตรวจหาผลกระทบของแรงโน้มถ่วงต่อมิวออน อุปกรณ์นี้อาจใช้เวลาสร้างสองถึงสามปี แต่เมื่อพร้อมใช้งาน จะตอบคำถามสำคัญที่ยังไม่มีคำตอบมานาน: แรงโน้มถ่วงกระทำต่อสสารผิดปกติในรูปแบบที่แตกต่างหรือไม่? หากแรงโน้มถ่วงมีความแตกต่างจริง จะชี้ไปสู่ความเป็นไปได้ของแรงธรรมชาติที่ห้า ขณะนี้ ทีมงานมุ่งเน้นไปที่การพิสูจน์ว่าหลักการสมมูลภาพใช้ได้กับอนุภาครุ่นที่สองหรือไม่ ผลการวิจัยได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature Physics

แนวโน้มและความท้าทายในการทดสอบทฤษฎีแรงโน้มถ่วง

การวิจัยลำอะตอมเย็นไม่เพียงเป็นการท้าทายทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของไอน์สไตน์ แต่ยังเป็นก้าวสำคัญในการสำรวจปริศนาที่ยังไม่ได้คำตอบของฟิสิกส์ มิวออนในฐานะอนุภาครุ่นที่สอง มีคุณสมบัติที่ทำให้เป็นวัตถุทดลองที่เหมาะสม และสามารถให้มุมมองใหม่ ความท้าทายที่นักวิจัยเผชิญคือการสลายตัวอย่างรวดเร็วของมิวออน ซึ่งจำเป็นต้องใช้เทคโนโลยีที่สร้างสรรค์เพื่อเอาชนะ อินเทอร์เฟอโรมิเตอร์ในอนาคตจะช่วยเปิดเผยผลกระทบของแรงโน้มถ่วงต่ออนุภาคต่าง ๆ หากผลลัพธ์แสดงความผิดปกติ อาจเปลี่ยนความเข้าใจของเราเกี่ยวกับแรงธรรมชาติ และอาจนำไปสู่แนวคิดเรื่องแรงธรรมชาติที่ห้า