コロラド対ジョージア工科大学
重力は宇宙のすべての粒子に平等に作用しますか、それとも一般的な物質と珍しい物質の間に違いはありますか?チューリッヒ工科大学のアンナ・ソーター氏と彼女のチーム、およびビリゲンのポール・シェラー研究所（PSI）は、この疑問を調査中です。 「私たちは、このテーマに関するエキサイティングな実験を実施するための重要な一歩を踏み出しました。ミュオンの重力相互作用を測定したいのです。」と物理学教授は言う。
私たち自身を含め、私たちの周りのすべての物質は陽子、中性子、電子で構成されています。物理学者はこれを粒子の第一世代と呼びます。より重い粒子を含むさらに 2 つの世代もあります。たとえば、ミューオンは電子のより重い兄弟であり、第 2 世代に属します。
PSI では、研究者が大型粒子加速器でミュー粒子とその反粒子を人工的に生成します。正に帯電した反ミュオンが負に帯電した電子と結合すると、中性のミュオン原子が形成されます。
素粒子物理学の標準モデルは物質の生成構造を記述します。 「しかし、私たち物理学者は、そもそもなぜこれらの余分な世代が存在するのかをまだ理解していません。そして、なぜ全部で 3 世代あるのでしょうか?」とソーター氏は言います。もう 1 つの特に興味深い問題は、増加する第 2 世代および第 3 世代の粒子が、重力の観点から、より軽い第 1 世代の粒子とまったく同じように動作するかどうかです。
謎の等価原理
通常の物質では、すべての物体は重力場の特定の点で同じ速度で落下します。この自由落下の普遍性は、ガリレオ・ガリレイとアイザック・ニュートンの時代にすでに認識されており、重力質量と慣性質量の等価原理として、アルバート・アインシュタインの重力理論の基礎となっています。
しかし、この不可解な原理は、これまでのところ、通常の物質または第一世代反物質でのみ実証されています。研究者らは、ミュオニウムの重力挙動を測定することで、第2世代粒子がどのように落下するかを初めて調査することになる。 「エキゾチックなムオニウムは中性原子なので、これに非常に適しています。結局のところ、何かを落下させるには中性のものが必要です。」とソーター氏は説明する。荷電粒子の場合、重力の弱い影響は漂遊電磁場によって隠蔽されてしまいます。
ただし、大きな問題もあります。ミューオンはわずか 2.2 マイクロ秒で非常に早く崩壊します。また、以前のミュオニウム源では、さまざまな速度でさまざまな方向に飛ぶ原子が生成されていたため、精密な実験には適していませんでした。
PSI では、研究者たちが大きな進歩を遂げました。 「私たちはミュオニウム原子を『冷たい』状態で生成することに成功しました。これがそもそも重力実験を可能にしたのです。この場合、『冷たい』というのは、原子が同じような速度で、互いにほぼ平行に伝播していることを意味します。」とソーター氏は言う。
決定的な後押しをもたらす量子流体
これは、ミュオニウム原子を生成する新しい方法を使用して達成されたと研究者らは学術誌「Nature Physics」で報告している。 「これを達成するために、絶対零度近くから摂氏マイナス273度まで冷却した超流動ヘリウムを使用しました。超流動ヘリウムはいわゆる量子流体であり、個々のヘリウム原子はそのアイデンティティを失い、内部にいかなる不純物も許容されません。」と研究の筆頭著者であるジェシー・チャンは説明する。
