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 el momento, las investigaciones científicas sobre este fenómeno coinciden en términos generales. A la gravedad no le importa de qué estás hecho: te encuentra atractivo de todos modos.
Bueno, lo siento amigos, pero la física no establece las reglas; simplemente los describe. En este caso, el enfoque universal de la atracción de la gravedad se conoce como principio de equivalencia débil.
Hay algunos regímenes que han sido demasiado extravagantes para probarlos. Pero ahora los físicos han abierto la puerta a una nueva investigación del régimen de antimateria.
Han construido y probado un haz de muonio, una corriente de ‘átomos’ exóticos que contienen antimateria que finalmente podría 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 ETH Zürich, autora correspondiente de un artículo publicado en Nature Physics.
“Queremos medir la interacción gravitacional del muón”.
Sin embargo, para hacer eso, los investigadores necesitan muonio, una partícula extraña y de corta duración parecida a un átomo que consiste en un antimuón cargado positivamente emparejado con un electrón cargado negativamente, lo que hace que todo sea eléctricamente neutro.
El antimuón es la contraparte en antimateria del muón, una partícula fundamental similar a un electrón pero alrededor de 200 veces más masiva. Eso significa que casi toda la masa del muonio proviene de su componente de antimateria.
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 innovador, pero los protones y antiprotones no son partículas fundamentales. Son objetos compuestos hechos de quarks. El antimuón, en cambio, es una partícula elemental perteneciente 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 exótico muonio es muy adecuado para esto, porque es un átomo neutro”, explica Soter. “Después de todo, para hacer que algo caiga, necesitas algo neutral”.
Sólo hay un pequeño pliegue en la manguera.
El muonio sólo dura unos 2,2 microsegundos antes de desintegrarse. No es mucho tiempo para tomar una medición.
Pero lo que le falta al muonio en cuanto a longevidad, los investigadores pensaron que podrían compensarlo con volumen: una verdadera manguera contra incendios de partículas de muonio, que viajan en un haz estrictamente controlado, principalmente en la misma dirección y aproximadamente a la misma velocidad.
“Como los átomos de muonio tienen una vida tan corta, necesitamos comenzar con un número grande para que sobrevivan suficientes durante el tiempo suficiente para poder medirlos después de caer durante unos pocos microsegundos”, dice Soter.
Las fuentes de muonio existentes no son muy buenas para eso. Producen haces “térmicos” difusos, pulverizando átomos en una amplia gama de ángulos y velocidades. Entonces a los investigadores se les ocurrió otro plan: disparar antimuones a una capa de helio superfluido enfriado a aproximadamente 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 captar un electrón que quedó a su paso cuando atravesó el helio, formando muonio.
Entonces el superfluido hace algo extremadamente útil.
Al muonio no le gusta mucho estar dentro de helio superfluido. La interacción entre los dos proporciona al muonio energía extra, impulsando eficazmente los “átomos” recién formados hacia la superficie.
Cuando lo alcanzan, estallan en el vacío de arriba a una velocidad determinada en gran medida por ese impulso de energía, en contraste con el movimiento térmico aleatorio que convierte las fuentes de muonio convencionales en un desastre tan caliente.
El resultado es una corriente notablemente ordenada de muonio, que se dispara a unos 2,2 kilómetros por segundo con una dispersión de velocidad mucho más estrecha. Alrededor del 8 por ciento de los antimuones enviados al helio finalmente emergieron al vacío como muonio.
Los detectores colocados sobre el helio permitieron a los investigadores reconstruir las trayectorias de los átomos de muonio a partir de las partículas producidas a medida que se desintegraban. Esas mediciones revelaron el haz estrecho y de rápido movimiento que esperaban producir.
Pero el experimento aún no está listo para medir lo que la gravedad les hace a las partículas.
Por un lado, el rayo apunta actualmente en la dirección equivocada.
El helio superfluido escupe el muonio verticalmente hacia arriba. Para medir su aceleración bajo la gravedad, los investigadores necesitan que las partículas viajen horizontalmente, dándole a la gravedad la oportunidad de tirarlas ligeramente hacia abajo durante su fugaz viaje.
El equipo ya está trabajando en una forma de girar la viga hacia un lado. La siguiente pieza del rompecabezas es un interferómetro que puede medir ese desplazamiento gravitacional increíblemente pequeño.
El dispositivo propuesto enviaría el muonio a través de tres rejillas extremadamente finas espaciadas sólo unos milímetros. Gracias a la rareza de la mecánica cuántica, las partículas también se comportan como ondas, produciendo un patrón de interferencia a medida que pasan.
Si la gravedad actúa sobre el muonio como se esperaba, su atracción hacia abajo debería cambiar ese patrón en una cantidad minúscula. Al medir el cambio, los investigadores pueden determinar la aceleración gravitacional del muonio.
Con su nuevo haz, los investigadores estiman que eventualmente podrían medir esa aceleración hasta aproximadamente el 1 por ciento.
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Esperan probar el método con el haz atómico a finales de este año, y el experimento de gravedad real podría realizarse dentro de dos o tres años.
Luego veremos si el muonio se comporta mal bajo la gravedad. De ser así, podría indicar la existencia de una quinta fuerza física en el Universo. Pero incluso si no, dice Soter, su equipo habrá hecho algo magnífico.
“Simplemente quiero medir por primera vez si la equivalencia entre masa gravitacional e 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.
Este artículo fue verificado por Fiona MacDonald y editado por Fiona MacDonald. Si bien nos enorgullecemos de nuestro proceso, somos humanos. Si detecta un error, háganoslo saber.