Según la teoría de la relatividad general de Einstein, la gravedad no discrimina.
Materia, antimateria: en lo que respecta a la gravedad, todo es lo mismo, y todo debería caer exactamente de la misma manera.
Hasta ahora, las investigaciones científicas sobre este fenómeno coinciden en gran medida. A la gravedad no le importa de qué estés hecho; te encuentra atractivo de todos modos.
Lo sentimos, amigos, pero la física no crea las reglas; solo las describe. En este caso, el enfoque universal de la gravedad respecto a la atracción se conoce como el principio de equivalencia débil.
Existen algunos regímenes que han resultado demasiado extraños para ser puestos a prueba. Pero ahora los físicos han abierto la puerta a una nueva vía de investigación en el régimen de la antimateria. Han construido y probado un haz de muonio, un flujo de “átomos” exóticos que contienen antimateria y que finalmente podrían permitir a los físicos observar cómo actúa la gravedad sobre ellos antes de que desaparezcan.
“Hemos dado un paso importante hacia la realización de un experimento apasionante sobre este tema”, afirma la física Anna Soter, de la ETH Zúrich, autora principal de un artículo publicado en Nature Physics.
“Queremos medir la interacción gravitatoria del muón”.
Para ello, sin embargo, los investigadores necesitan muonio: una partícula extraña, efímera y similar a un átomo, que consiste en un antimuón con carga positiva emparejado con un electrón con carga negativa, lo que hace que el conjunto sea eléctricamente neutro.
El antimuón es la antipartícula del muón, una partícula fundamental similar a un electrón pero unas 200 veces más masiva. Esto significa que casi toda la masa del muonio proviene de su componente de antipartícula. Esto hace que el muonio sea muy diferente de la antimateria que los físicos ya han sometido a la gravedad.
En 2023, el experimento ALPHA del CERN demostró que el antihidrógeno —un antiprotón emparejado con un positrón— cae hacia la Tierra de una manera consistente con la materia ordinaria. Eso fue bastante revolucionario, pero los protones y antiprotones no son partículas fundamentales. Son objetos compuestos formados por quarks. El antimuón, en cambio, es una partícula elemental que pertenece a la segunda generación de partículas fundamentales. Por lo tanto, un experimento de gravedad que involucre muonio entraría en un territorio de caída libre que ningún otro experimento ha podido explorar.
“El muonio, un elemento exótico, es muy adecuado para esto porque es un átomo neutro”, explica Soter. “Al fin y al cabo, para que algo caiga, se necesita algo neutro”.
Sólo hay una pequeña torcedura en la manguera. El muonio solo dura unos 2,2 microsegundos antes de desintegrarse. No es mucho tiempo para realizar una medición.
Pero lo que le falta al muonio en longevidad, los investigadores pensaron que podrían compensarlo con volumen: una auténtica manguera de bomberos de partículas de muonio, viajando en un haz estrictamente controlado, en su mayoría en la misma dirección y aproximadamente a la misma velocidad.
“Dado que los átomos de muonio tienen una vida útil tan corta, necesitamos comenzar con una gran cantidad para que sobrevivan suficientes como para poder ser medidos después de caer durante unos pocos microsegundos”, dice Soter.
Las fuentes de muonio existentes no son muy eficaces para esto. Producen haces térmicos difusos, dispersando átomos en un amplio rango de ángulos y velocidades. Por lo tanto, los investigadores idearon otro plan: disparar antimuones contra una capa de helio superfluido enfriado a unos 0,2 Kelvin.
Cuando los antimuones entran en el helio, pierden energía rápidamente y se detienen justo debajo de su superficie. Allí, un antimuón puede capturar un electrón que quedó a su paso al atravesar el helio, formando muonio. Entonces, el superfluido hace algo extremadamente útil.
Al muonio no le gusta estar dentro del helio superfluido. La interacción entre ambos le proporciona al muonio energía adicional, impulsando así los “átomos” recién formados hacia la superficie.
Cuando lo alcanzan, se lanzan al vacío superior a una velocidad determinada en gran medida por ese impulso de energía, a diferencia del movimiento térmico aleatorio que convierte a las fuentes de muonio convencionales en un caos tan caliente. El resultado es un flujo de muonio extraordinariamente ordenado, que sale disparado a unos 2,2 kilómetros por segundo con una dispersión de velocidad mucho menor. Alrededor del 8% de los antimuones enviados al helio emergieron finalmente al vacío como muonio.
Los detectores situados sobre el helio permitieron a los investigadores reconstruir las trayectorias de los átomos de muonio a partir de las partículas producidas durante su desintegración. Estas mediciones revelaron el haz estrecho y de rápido movimiento que esperaban obtener. Pero el experimento aún no está del todo preparado para medir qué efecto tiene la gravedad sobre las partículas.
Para empezar, el haz apunta actualmente en la dirección equivocada. El helio superfluido expulsa el muonio verticalmente hacia arriba. Para medir su aceleración bajo la acción de la gravedad, los investigadores necesitan que las partículas se desplacen horizontalmente, lo que permite que la gravedad las atraiga ligeramente hacia abajo durante su fugaz recorrido.
El equipo ya está trabajando en una forma de desviar el haz lateralmente. La siguiente pieza del rompecabezas es un interferómetro que pueda medir ese desplazamiento gravitacional increíblemente pequeño.
El dispositivo propuesto enviaría el muonio a través de tres rejillas extremadamente finas separadas por apenas milímetros. Gracias a las peculiaridades de la mecánica cuántica, las partículas también se comportan como ondas, produciendo un patrón de interferencia al pasar a través de ellas.
Si la gravedad actúa sobre el muonio como se espera, su atracción hacia abajo debería modificar ese patrón en una cantidad minúscula. Al medir esta modificación, los investigadores pueden determinar la aceleración gravitatoria del muonio.
Con su nuevo haz de rayos, los investigadores calculan que eventualmente podrían medir esa aceleración con una precisión de alrededor del 1%. Esperan probar el método con el haz atómico a finales de este año, y el experimento real de gravedad podría realizarse en un plazo de dos o tres años.
Luego, veremos si el muonio se comporta de forma anómala bajo la gravedad. De ser así, podría indicar la existencia de una quinta fuerza física en el Universo. Pero incluso si no es el caso, dice Soter, su equipo habrá logrado algo magnífico.
“Simplemente quiero medir, por primera vez, si la equivalencia entre la masa gravitacional y la masa inercial también se aplica a la segunda generación de partículas; esto, por sí solo, es un trabajo bastante inspirador”, afirma.
Pobre Einstein: muerto hace más de 70 años, ¡y todavía tiene que hacer exámenes!
La investigación ha sido publicada en Nature Physics.
Fuente: Science Alert.