- 瑞士研究人员成功产生冷原子束，计划测试爱因斯坦的引力理论。
- μ子是第二代粒子，研究人员希望测量其在引力下的下落情况。
- 进行实验的障碍在于μ子的快速衰变，需利用量子流体生成稳定的μ子原子流。
- 研究人员计划建造干涉仪，检测引力对μ子的影响，可能指向第五种自然力。
瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）及保罗·谢勒研究所（PSI）位于维利根的研究人员，成功产生了一束强烈的冷原子束，计划用于测试爱因斯坦的引力理论。这束冷原子束由μ子（muonium）组成，μ子为第二代反粒子，研究人员希望测试其与引力的相互作用，以了解是否还存在其他尚未被发现的自然力。我们周围看到的物质由质子、中子和电子组成，科学家称之为第一代粒子。
μ子的特性与实验挑战
其余两代粒子则较重，但也不稳定，会迅速衰变成第一代粒子。μ子是第二代粒子中电子的重型表亲。PSI 的研究人员利用粒子加速器成功产生μ子及其反粒子，当这种反μ子与电子结合时，便形成一个中性μ子原子。研究人员希望测量μ子原子在引力下的下落情况。
从伽利略时代到牛顿，再到爱因斯坦，物理学家们确认了自由下落的普遍性。这一等效原则指出，所有在引力场中的物体，无论其质量或内部结构如何，都以相同的加速度下落。爱因斯坦将这一原则视为其著名相对论的基础支柱，但至今仅在第一代物质和反物质粒子上进行过测试。在μ子原子上进行测量将是对第二代粒子的首次测试。μ子非常适合这一实验，因为它是电中性的。相比之下，带电粒子可能会受到杂散磁场的影响，遮蔽微弱引力的效果。
未来的实验计划
进行这样的实验的一个主要障碍是μ子的快速衰变。由于其在 2.2 微秒内迅速衰变，以前尝试产生的μ子也以不同速度移动，这使得实验难以进行。PSI 的研究人员利用量子流体生成稳定的μ子原子流。PSI 的研究人员杰西·张在新闻稿中解释道：“我们使用了接近绝对零度（摄氏−273 度）的超流氦。”超流氦是一种量子液体，其中单个氦原子失去其身份，不喜欢内部的杂质。”在 PSI 的粒子加速器中生成的反μ子被射入量子液体中，与自由电子相遇，形成μ子原子。
这一反应中产生的正化学势将μ子原子推向表面，化学势转化为动能，使其垂直射出液体。
研究人员现在计划建造一台干涉仪，利用μ子原子的波动特性创建一种干涉图案，以检测引力对μ子的影响。该装置可能需要两到三年时间建造，但一旦准备就绪，将回答一个长期未解的重要问题：引力是否以不同方式作用于异常物质？如果引力确实有所不同，将指向存在第五种自然力的可能性。目前，团队专注于确定等效原则是否适用于第二代粒子。研究结果已发表于《自然物理学》期刊。
测试引力理论的前景与挑战
冷原子束的研究不仅是对爱因斯坦引力理论的挑战，也是探索物理学未解之谜的重要步骤。μ子作为第二代粒子，其特性使其成为理想的实验对象，能够提供新的见解。研究人员面临的挑战在于μ子的快速衰变，这需要创新的技术来克服。未来的干涉仪将有助于揭示引力对不同粒子的影响，若结果显示异常，将可能改变我们对自然力的理解，甚至引入第五种自然力的概念。