Científicos probarán la gravedad de Einstein con materia exótica en un experimento innovador

¿La gravedad afecta a todos los tipos de partículas de la misma manera? Investigadores de ETH Zurich y el Instituto Paul Scherrer (PSI) en Villigen se prepararon para realizar un experimento que podría poner a prueba esta suposición fundamental utilizando uno de los partículas más inusuales de la naturaleza.

"Hemos dado un paso importante hacia la realización de un experimento emocionante sobre este tema", afirmó la profesora de física, "queremos medir la interacción gravitacional del muón".

La materia familiar que compone a las personas, los planetas y casi todo a nuestro alrededor se compone de protones, neutrones y electrones. Los físicos clasifican estas partículas como pertenecientes a la primera generación de materia. Sin embargo, existen dos generaciones adicionales, compuestas de partículas más pesadas. Una de ellas es el muón, un pariente más pesado del electrón que pertenece a la segunda generación.

Los investigadores en el PSI pueden crear muones y sus antipartículas utilizando un gran acelerador de partículas. Cuando un antimuón cargado positivamente se combina con un electrón cargado negativamente, la pareja forma un átomo neutro conocido como muonio.

La importancia de probar los muones

El Modelo Estándar de la física de partículas describe estas diferentes generaciones de partículas, pero no explica por qué la naturaleza tiene múltiples generaciones en primer lugar.

"Pero nosotros, los físicos, aún no entendemos por qué estas generaciones adicionales existen", indicó Soter. "¿Y por qué hay tres en total?"

Este misterio plantea otra pregunta importante: ¿los partículas más pesadas de la segunda y tercera generación responden a la gravedad de la misma manera que las partículas más ligeras de la primera generación?

Poniendo a prueba el principio de equivalencia de Einstein

Para la materia ordinaria, los objetos en la misma ubicación en un campo gravitacional caen a la misma velocidad. Galileo Galilei e Isaac Newton reconocieron esta universalidad de la caída libre hace siglos. Posteriormente, se convirtió en un elemento central de la teoría de gravedad de Albert Einstein a través del principio de equivalencia, que conecta la masa gravitacional con la masa inercial.

Sin embargo, hasta ahora, los investigadores solo han demostrado este principio con materia ordinaria o antimateria de primera generación. Medir cómo se comporta el muonio bajo la gravedad proporcionaría la primera prueba involucrando una partícula de segunda generación.

"El muonio exótico es muy adecuado para esto porque es un átomo neutro", explicó Soter. "Para hacer que algo caiga, necesitas algo neutro".

La neutralidad es esencial porque la gravedad es extremadamente débil en comparación con el electromagnetismo. Si los investigadores intentaran realizar el experimento con una partícula cargada, los campos electromagnéticos dispersos podrían abrumar el efecto gravitacional que intentan detectar.

El muonio presenta otro gran obstáculo: los muones solo sobreviven alrededor de 2.2 microsegundos antes de decaer. Métodos anteriores también produjeron átomos de muonio que se movían a diferentes velocidades y en muchas direcciones, lo que los hacía poco adecuados para mediciones de gravedad extremadamente precisas.

Los investigadores del PSI encontraron ahora una manera de superar ese problema.

"Hemos logrado producir los átomos de muonio en un estado 'frío', lo que hace que el experimento de gravedad sea posible en primer lugar", comentó Soter. "En este caso, 'frío' significa que los átomos se propagan a velocidades similares, casi paralelos entre sí".

Helio superfluido crea un haz controlado de muonio

El equipo describió su nuevo método para producir muonio en Nature Physics.

"Para lograr esto, utilizamos helio superfluido que había sido enfriado cerca del cero absoluto a menos 273 grados Celsius", explicó Jesse Zhang, autor principal del estudio. "El helio superfluido es lo que se conoce como un fluido cuántico, en el que los átomos individuales de helio pierden su identidad, y que no tolera impurezas dentro de él".

El proceso comienza dirigiendo antimuones desde el acelerador del PSI hacia una delgada capa de helio superfluido. Dentro del helio, las partículas se desaceleran. Cuando un antimuón se encuentra con un electrón libre, los dos forman un átomo de muonio con un potencial químico positivo.

Ese potencial químico impulsa efectivamente al nuevo átomo formado fuera del líquido. Cuando alcanza la superficie, el potencial químico se convierte en energía cinética, otorgando al átomo de muonio un impulso que lo envía verticalmente hacia arriba.

"Así que estamos utilizando el potencial químico como un cañón atómico", explicó Zhang.

Los átomos de muonio deben pasar a través del líquido cuántico sin colisiones y a una velocidad predecible. Su vida útil es tan corta que cualquier retraso significativo evitaría que lleguen a la superficie antes de decaer.

"Para nuestros experimentos, también dependemos del acelerador de partículas del PSI, que genera los haces de muones continuos más intensos del mundo", comentó Soter. "Gracias a esta fuente de alta calidad, se pueden producir muchos átomos de muonio".

Observando cómo la gravedad desplaza un patrón atómico

Los investigadores están construyendo ahora un instrumento conocido como interferómetro para medir cómo la gravedad de la Tierra afecta al haz de muonio.

El dispositivo aprovecha las propiedades de onda de los átomos para producir un patrón de interferencia. La atracción gravitacional de la Tierra debería causar un desplazamiento extremadamente pequeño en ese patrón. Medir el desplazamiento permitiría a los investigadores determinar cómo actúa la gravedad sobre el muón.

"Esperamos poder probar el método por primera vez con el haz atómico este año, y si todo va bien, el experimento real de gravedad debería seguir en dos o tres años", relató Soter.

El nuevo haz también podría hacer posibles experimentos de espectroscopía láser mucho más precisos con muonio. Esas mediciones podrían mejorar la comprensión de los científicos sobre la masa del muón y las constantes físicas fundamentales, otro objetivo a largo plazo del grupo de investigación.

¿Podría el experimento revelar una quinta fuerza?

Si el muonio responde a la gravedad de manera diferente a la materia ordinaria, las implicaciones podrían ser profundas.

"Eso sería realmente sorprendente, y, además de otras teorías, podría señalar la existencia de una quinta fuerza", explicó Soter.

La física moderna reconoce cuatro interacciones fundamentales: gravedad, electromagnetismo, interacción fuerte e interacción débil. Los científicos han propuesto repetidamente la posibilidad de una quinta fuerza adicional, pero nunca se ha confirmado tal fuerza.

Descubrir una no es el objetivo principal del experimento de Soter. El objetivo inmediato es más fundamental: determinar si uno de los principios centrales de Einstein también se aplica a una generación diferente de partículas.

"Soy completamente abierta a lo que pueda surgir", afirmó. "Simplemente quiero medir, por primera vez, si la equivalencia entre la masa gravitacional e inercial también se aplica a la segunda generación de partículas; esto por sí solo es una pieza de trabajo muy inspiradora".

Esta investigación cuenta con el apoyo del Centro Nacional de Competencia en Investigación Muoniverse.

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