重力是否以完全相同的方式影響所有類型的粒子？蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）和保羅謝爾物理研究所（PSI）的研究人員正在準備一項實驗，該實驗可能利用一種自然界中較不尋常的粒子來檢驗這個基本假設。
「我們朝著進行一項關於此主題的令人興奮的實驗邁出了重要一步，」物理學教授說：「我們想測量μ子的重力交互作用。」
構成人類、行星以及我們周遭幾乎所有事物的熟悉物質由質子、中子和電子組成。物理學家將這些粒子歸類為第一代物質。另外還存在兩代由更重粒子組成的額外世代。其中之一是μ子，它是電子的較重親戚，屬於第二代。
PSI 的研究人員可以使用大型粒子加速器來製造μ子及其反粒子。當一個帶正電的反μ子與一個帶負電的電子結合時，這對粒子會形成一個稱為μ氦原子的中性原子。
粒子物理學的標準模型描述了這些不同的粒子世代，但它並未解釋為何自然界會存在多個世代。
「但我們物理學家還不理解為何這些額外的世代會存在，」Soter 說：「為何總共有三個？」
這個謎團引發了另一個重要問題。第二代和第三代較重粒子對重力的反應是否與第一代中較輕粒子完全相同？
測試愛因斯坦的等效原理
對於普通物質，在重力場中相同位置的物體會以相同的速率下落。伽利略和牛頓在數百年前就已認識到自由落體的普遍性。後來，它透過等效原理成為愛因斯坦重力理論的核心，該原理將重力質量與慣性質量聯繫起來。
然而，到目前為止，研究人員僅用普通物質或第一代反物質證明了這個原理。測量μ氦原子在重力下的行為將是首次涉及第二代粒子的測試。
「奇異的μ氦原子非常適合此實驗，因為它是一個中性原子，」Soter 解釋道：「畢竟，要讓某物下落，你需要一個中性的東西。」
中性至關重要，因為與電磁力相比，重力極其微弱。如果研究人員嘗試用帶電粒子進行實驗，雜散的電磁場可能會壓倒他們試圖偵測的重力效應。
μ氦原子還帶來了另一個重大障礙。μ子僅能存活約 2.2 微秒就會衰變。先前的方法也產生了速度不同、方向各異的μ氦原子，使其不適合進行極其精確的重力測量。
PSI 的研究人員現在找到了解決這個問題的方法。
「我們設法在「冷態」下產生μ氦原子，這使得重力實驗得以實現，」Soter 說：「在這裡，「冷」意味著原子以相似的速度傳播，幾乎彼此平行。」
超流氦創造了受控的μ氦原子束
該團隊在《自然物理學》期刊上描述了他們生產μ氦原子的新方法。
「為了達成此目標，我們使用了接近絕對零度（攝氏零下 273 度）冷卻的超流氦，」研究的主要作者 Jesse Zhang 解釋道：「超流氦是一種量子流體，其中的個別氦原子失去了身份，並且不容忍任何雜質。」
過程始於將 PSI 加速器產生的反μ子導向一層薄薄的超流氦。在氦中，粒子會減速。當一個反μ子遇到一個自由電子時，兩者會形成一個具有正化學勢的μ氦原子。
該化學勢有效地將新形成的原子推出了液體。當它到達表面時，化學勢會轉化為動能，給予μ氦原子一個推力，使其垂直向上發射。
「所以我們將化學勢用作原子砲，」Zhang 解釋道。
μ氦原子必須在沒有碰撞且以可預測的速度穿過量子流體。它們的壽命非常短，任何顯著的延遲都會阻止它們在衰變前到達表面。
「對於我們的實驗，我們也依賴 PSI 的粒子加速器，它產生了世界上最強大的連續μ子束，」Soter 說：「由於有了這個高品質的來源，可以產生大量的μ氦原子。」
觀察重力如何改變原子圖案
研究人員現在正在建造一種稱為干涉儀的儀器，以測量地球重力如何影響μ氦原子束。
該裝置利用原子的波動特性來產生干涉圖案。地球的重力應該會導致該圖案發生極小的偏移。測量這個位移將使研究人員能夠確定重力如何作用於μ子。
「我們希望今年能夠首次用原子束測試該方法，如果一切順利，實際的重力實驗應該會在兩到三年內進行，」Soter 說。
新的原子束也可能使μ氦原子進行更精確的雷射光譜實驗成為可能。這些測量可以增進科學家對μ子質量和基本物理常數的理解，這是該研究小組的另一個長期目標。
實驗是否會揭示第五種力？
如果μ氦原子對重力的反應與普通物質不同，其影響可能非常深遠。
「這確實會令人驚訝，並且除了其他理論之外，它可能指向第五種力的存在，」Soter 概述道。
現代物理學認識四種基本交互作用：重力、電磁力、強作用力和弱作用力。科學家們一再提出額外第五種力的可能性，但從未證實過任何一種力。
發現它並非 Soter 實驗的主要目標。直接目標更為根本：確定愛因斯坦的核心原理之一是否也適用於第二代粒子——僅僅這一點就已經是一項相當鼓舞人心的工作。」