スイスのチューリッヒ工科大学（ETH Zurich）とポール・シェラー研究所（PSI）の研究者たちは、アインシュタインの重力理論をテストするために使用される強力な冷原子ビームを生成することに成功しました。この冷原子ビームはμ子（ミューニウム）で構成されており、μ子は第二世代の反粒子です。研究者たちは、μ子と重力との相互作用をテストすることで、まだ発見されていない他の自然の力が存在するかどうかを理解しようとしています。私たちの周りに見える物質は、陽子、中性子、電子で構成されており、科学者たちはこれを第一世代の粒子と呼んでいます。
残りの二世代の粒子はより重いですが、不安定であり、すぐに第一世代の粒子に崩壊します。μ子は第二世代の粒子の中で電子の重い親戚です。PSIの研究者たちは粒子加速器を利用してμ子とその反粒子を生成することに成功しました。この反μ子が電子と結合すると、中性μ子原子が形成されます。研究者たちは、μ子原子が重力下でどのように落下するかを測定したいと考えています。
ガリレオ時代からニュートン、そしてアインシュタインに至るまで、物理学者たちは自由落下の普遍性を確認してきました。この等価原理は、重力場内のすべての物体は、その質量や内部構造に関係なく、同じ加速度で落下することを示しています。アインシュタインはこの原理を彼の有名な相対性理論の基盤と見なしましたが、これまでのところ第一世代の物質および反物質粒子に対してのみテストが行われてきました。μ子原子での測定は、第二世代の粒子に対する初のテストとなります。μ子は電気的に中性であるため、この実験に非常に適しています。対照的に、帯電粒子は雑散磁場の影響を受ける可能性があり、微弱な重力の効果を覆い隠すことがあります。
μ子原子実験が重力と粒子の関係を明らかにする
このような実験の主な障害の一つは、μ子の迅速な崩壊です。μ子は2.2マイクロ秒内に急速に崩壊するため、以前に生成されたμ子も異なる速度で移動しており、実験が困難でした。PSIの研究者たちは、量子流体を利用して安定したμ子原子流を生成しています。PSIの研究者であるジェシー・チャンはプレスリリースで次のように説明しています。「私たちは絶対零度（摂氏−273度）に近い超流体ヘリウムを使用しました。」超流体ヘリウムは、単一のヘリウム原子がそのアイデンティティを失い、内部の不純物を好まない量子液体です。」PSIの粒子加速器で生成された反μ子は量子液体に射出され、自由電子と出会い、μ子原子が形成されます。
この反応で生成される正の化学ポテンシャルはμ子原子を表面に押し出し、化学ポテンシャルが運動エネルギーに変換され、液体から垂直に射出されます。
研究者たちは現在、μ子原子の波動特性を利用して干渉パターンを作成し、重力がμ子に与える影響を検出する干渉計を構築する計画を立てています。この装置の構築には2〜3年かかる可能性がありますが、準備が整い次第、長年未解決の重要な問題に答えることになります：重力は異常物質に異なる影響を与えるのでしょうか？もし重力が実際に異なるのであれば、第五の自然力の存在の可能性を示唆することになります。現在、チームは等価原理が第二世代の粒子に適用されるかどうかを確認することに集中しています。研究結果は『Nature Physics』誌に発表されています。