Investigadores suizos prueban la teoría de la gravedad de Einstein con un haz de átomos fríos

Investigadores de la ETH Zürich y del Instituto Paul Scherrer (PSI) en Villigen han logrado generar un haz intenso de átomos fríos que planean utilizar para poner a prueba la teoría de la gravedad de Einstein. El haz está compuesto por muonium, un átomo formado por un antimuón de segunda generación, y los investigadores esperan comprobar su interacción con la gravedad para determinar si existen otras fuerzas de la naturaleza aún por descubrir. La materia que nos rodea está formada por protones, neutrones y electrones, lo que los científicos denominan partículas de primera generación.

Propiedades del muonio y retos del experimento

Las otras dos generaciones de partículas son más pesadas, pero también inestables, y se desintegran rápidamente en partículas de primera generación. El muonio es un pariente pesado del electrón dentro de la segunda generación. Los investigadores del PSI utilizan un acelerador de partículas para producir muones y sus antipartículas; cuando un antimuón se combina con un electrón, se forma un átomo neutro de muonio. Los investigadores quieren medir cómo cae este átomo bajo el efecto de la gravedad.

Desde Galileo y Newton hasta Einstein, los físicos han confirmado la universalidad de la caída libre. Este principio de equivalencia sostiene que todos los objetos en un campo gravitatorio caen con la misma aceleración, con independencia de su masa o estructura interna. Einstein lo consideró uno de los pilares de su célebre teoría de la relatividad, pero hasta ahora solo se ha probado con partículas de primera generación, tanto de materia como de antimateria. Medirlo con muonio sería la primera prueba con una partícula de segunda generación. El muonio resulta especialmente adecuado para este experimento porque es eléctricamente neutro. En cambio, las partículas cargadas podrían verse afectadas por campos magnéticos parásitos, enmascarando el débil efecto gravitatorio.

Planes experimentales futuros

Uno de los principales obstáculos para llevar a cabo este experimento es la rápida desintegración del muonio. Como se desintegra en apenas 2.2 microsegundos, los muones producidos en intentos anteriores se movían a velocidades distintas, lo que dificultaba la realización del experimento. Los investigadores del PSI han recurrido a un fluido cuántico para generar un flujo estable de átomos de muonio. El investigador del PSI Jesse Zhang explicó en un comunicado de prensa: «Hemos utilizado helio superfluido a temperaturas cercanas al cero absoluto (–273 grados Celsius)». El helio superfluido es un líquido cuántico en el que los átomos de helio individuales pierden su identidad y rechazan las impurezas en su interior». Los antimuones generados en el acelerador de partículas del PSI se disparan contra este líquido cuántico, donde se encuentran con electrones libres y forman átomos de muonio.

El potencial químico positivo generado en esta reacción empuja a los átomos de muonio hacia la superficie, donde el potencial se convierte en energía cinética que los proyecta verticalmente fuera del líquido.

Los investigadores planean ahora construir un interferómetro que aproveche la naturaleza ondulatoria de los átomos de muonio para crear un patrón de interferencia capaz de detectar la influencia de la gravedad sobre ellos. El dispositivo podría tardar entre dos y tres años en estar listo, pero una vez operativo responderá a una pregunta importante largamente abierta: ¿la gravedad actúa de forma diferente sobre la materia exótica? Si efectivamente existiera alguna diferencia, apuntaría a la posible existencia de una quinta fuerza de la naturaleza. Por ahora, el equipo se centra en determinar si el principio de equivalencia se aplica también a las partículas de segunda generación. Los resultados se han publicado en la revista Nature Physics.

Perspectivas y retos de poner a prueba la teoría de la gravedad

La investigación con haces de átomos fríos no solo supone un desafío para la teoría de la gravedad de Einstein, sino que también representa un paso importante para explorar los enigmas aún sin resolver de la física. El muonio, como partícula de segunda generación, posee unas características que lo convierten en un sujeto experimental ideal, capaz de aportar nuevas perspectivas. El reto al que se enfrentan los investigadores es su rápida desintegración, lo que exige tecnologías innovadoras para superarlo. El futuro interferómetro ayudará a esclarecer cómo afecta la gravedad a distintas partículas, y si los resultados muestran anomalías, podrían transformar nuestra comprensión de las fuerzas de la naturaleza e incluso introducir el concepto de una quinta fuerza.