Un experimento desarrollado por investigadores de la ETH Zúrich y el Instituto Paul Scherrer (PSI), en Suiza, prepara una de las pruebas más delicadas a las que se ha sometido la gravedad. El trabajo, publicado en la revista científica Nature Physics, utiliza muonio, un átomo exótico que contiene antimateria, para explorar si una de las ideas fundamentales de Albert Einstein también se mantiene cuando entra en juego una partícula de segunda generación. El desafío no consiste únicamente en producir este material: los científicos deben controlarlo durante los escasos microsegundos que permanece estable. La nueva técnica abre ahora una vía experimental que hasta hace poco resultaba extremadamente difícil de recorrer.
La cuestión que persigue el equipo afecta al principio de equivalencia, uno de los pilares de la relatividad general. Según este principio, la masa gravitatoria y la masa inercial se comportan de forma equivalente, de modo que los cuerpos sometidos a un mismo campo gravitatorio experimentan la misma aceleración con independencia de su composición. Las comprobaciones realizadas hasta ahora han respaldado esta idea con materia ordinaria y también con antimateria de primera generación. El nuevo experimento quiere trasladar esa comprobación a un territorio diferente, utilizando una partícula elemental mucho más pesada que el electrón.
El protagonista es el muonio, formado por un antimuón con carga positiva y un electrón con carga negativa. Su estructura recuerda a la del hidrógeno, aunque en lugar de un protón contiene un antimuón, la antipartícula del muón. Este último pertenece a la segunda generación de partículas fundamentales y posee una masa aproximadamente 200 veces superior a la del electrón, por lo que casi toda la masa del muonio procede de su componente de antimateria. Su neutralidad eléctrica resulta esencial: cualquier carga haría que los campos electromagnéticos residuales ocultasen una interacción gravitatoria mucho más débil.
Un cañón atómico de helio
El gran problema del muonio es su vida fugaz, ya que un muón decae tras apenas 2,2 microsegundos. Las fuentes utilizadas hasta ahora producían átomos con velocidades y direcciones muy diferentes, una dispersión incompatible con una medición gravitatoria de alta precisión. El equipo dirigido por Anna Soter ha recurrido para solucionarlo a una fina capa de helio superfluido enfriado hasta temperaturas próximas al cero absoluto. Los antimuones generados en el acelerador del PSI penetran en ese fluido, pierden energía y pueden capturar un electrón hasta formar muonio.
El propio comportamiento cuántico del helio proporciona después el impulso que necesitaban los investigadores. El muonio formado dentro del líquido posee un potencial químico positivo que lo empuja hacia la superficie y, al abandonarla, esa energía se transforma en movimiento. “Así que estamos utilizando el potencial químico como un cañón atómico”, explica Jesse Zhang, autor principal del estudio. El resultado es un haz mucho más ordenado, cuyos átomos salen prácticamente en paralelo y con velocidades similares, alrededor de 2,2 km por segundo. Aproximadamente el 8% de los antimuones introducidos en el helio consiguieron emerger al vacío convertidos en muonio.
La prueba de gravedad
Ese haz todavía no puede responder por sí solo a la pregunta que persiguen los físicos. Actualmente sale en dirección vertical y el experimento necesita enviarlo horizontalmente para que la gravedad terrestre pueda desplazar ligeramente los átomos hacia abajo durante su corta existencia. El siguiente componente será un interferómetro capaz de aprovechar las propiedades ondulatorias del muonio. Tras atravesar tres rejillas extremadamente finas separadas por pocos milímetros, los átomos generarían un patrón de interferencia cuya posición debería modificarse de manera minúscula por efecto de la gravedad. Medir ese desplazamiento permitiría calcular la aceleración gravitatoria del muonio con una precisión que los investigadores estiman cercana al 1%.
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Las nuevas observaciones que indican que Einstein está equivocado
POR
Valerio Faraoni
Andrea Giusti
El equipo espera probar este sistema con el haz atómico durante 2026 y, si el desarrollo avanza según lo previsto, realizar el experimento gravitatorio completo dentro de dos o tres años. Una desviación respecto al comportamiento esperado obligaría a examinar explicaciones que podrían incluir una hipotética quinta fuerza fundamental, junto a la gravedad, el electromagnetismo y las interacciones fuertes y débiles, aunque hasta ahora ninguna ha sido demostrada. Soter evita anticipar el resultado: “Simplemente quiero medir, por primera vez, si la equivalencia entre la masa gravitatoria y la masa inercial también se aplica a la segunda generación de partículas; esto por sí solo ya es un trabajo bastante inspirador”. El futuro programa High Intensity Muon Beams del PSI podría multiplicar por cien la cantidad de muonio disponible y llevar esta prueba de Einstein a un nivel de sensibilidad todavía mayor.
Un experimento desarrollado por investigadores de la ETH Zúrich y el Instituto Paul Scherrer (PSI), en Suiza, prepara una de las pruebas más delicadas a las que se ha sometido la gravedad. El trabajo, publicado en la revista científica Nature Physics, utiliza muonio, un átomo exótico que contiene antimateria, para explorar si una de las ideas fundamentales de Albert Einstein también se mantiene cuando entra en juego una partícula de segunda generación. El desafío no consiste únicamente en producir este material: los científicos deben controlarlo durante los escasos microsegundos que permanece estable. La nueva técnica abre ahora una vía experimental que hasta hace poco resultaba extremadamente difícil de recorrer.
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