- 瑞士研究人員成功產生冷原子束，計劃測試愛因斯坦的引力理論。
- μ子是第二代粒子，研究人員希望測量其在引力下的下墜情況。
- 進行實驗的障礙在於μ子的快速衰變，需利用量子流體生成穩定的μ子原子流。
- 研究人員計劃建造干涉儀，檢測引力對μ子的影響，可能指向第五種自然力。
瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）及保羅·謝勒研究所（PSI）位於維利根的研究人員，成功產生了一束強烈的冷原子束，計劃用於測試愛因斯坦的引力理論。這束冷原子束由μ子（muonium）組成，μ子為第二代反粒子，研究人員希望測試其與引力的相互作用，以瞭解是否還存在其他尚未被發現的自然力。我們周圍看到的物質由質子、中子和電子組成，科學家稱之為第一代粒子。
μ子的特性與實驗挑戰
其餘兩代粒子則較重，但也不穩定，會迅速衰變成第一代粒子。μ子是第二代粒子中電子的重型表親。PSI 的研究人員利用粒子加速器成功產生μ子及其反粒子，當這種反μ子與電子結合時，便形成一個中性μ子原子。研究人員希望測量μ子原子在引力下的下墜情況。
從伽利略時代到牛頓，再到愛因斯坦，物理學家們確認了自由下落的普遍性。這一等效原則指出，所有在引力場中的物體，無論其質量或內部結構如何，都以相同的加速度下落。愛因斯坦將這一原則視為其著名相對論的基礎支柱，但至今僅在第一代物質和反物質粒子上進行過測試。在μ子原子上進行測量將是對第二代粒子的首次測試。μ子非常適合這一實驗，因為它是電中性的。相比之下，帶電粒子可能會受到雜散磁場的影響，遮蔽微弱引力的效果。
未來的實驗計劃
進行這樣的實驗的一個主要障礙是μ子的快速衰變。由於其在 2.2 微秒內迅速衰變，以前嘗試產生的μ子也以不同速度移動，這使得實驗難以進行。PSI 的研究人員利用量子流體生成穩定的μ子原子流。PSI 的研究人員傑西·張在新聞稿中解釋道：「我們使用了接近絕對零度（攝氏−273 度）的超流氦。」超流氦是一種量子液體，其中單個氦原子失去其身份，不喜歡內部的雜質。」在 PSI 的粒子加速器中生成的反μ子被射入量子液體中，與自由電子相遇，形成μ子原子。
這一反應中產生的正化學勢將μ子原子推向表面，化學勢轉化為動能，使其垂直射出液體。
研究人員現在計劃建造一台干涉儀，利用μ子原子的波動特性創建一種干涉圖案，以檢測引力對μ子的影響。該裝置可能需要兩到三年時間建造，但一旦準備就緒，將回答一個長期未解的重要問題：引力是否以不同方式作用於異常物質？如果引力確實有所不同，將指向存在第五種自然力的可能性。目前，團隊專注於確定等效原則是否適用於第二代粒子。研究結果已發表於《自然物理學》期刊。
測試引力理論的前景與挑戰
冷原子束的研究不僅是對愛因斯坦引力理論的挑戰，也是探索物理學未解之謎的重要步驟。μ子作為第二代粒子，其特性使其成為理想的實驗對象，能夠提供新的見解。研究人員面臨的挑戰在於μ子的快速衰變，這需要創新的技術來克服。未來的干涉儀將有助於揭示引力對不同粒子的影響，若結果顯示異常，將可能改變我們對自然力的理解，甚至引入第五種自然力的概念。