Hay un problema evidente cuando uno quiere comprobar cómo actúa la gravedad sobre un átomo que deja de existir apenas 2,2 millonésimas de segundo después de ser creado: prácticamente no hay tiempo para dejarlo caer.
Investigadores de ETH Zúrich y del Instituto Paul Scherrer (PSI) creen haber encontrado una solución bastante peculiar. Enfriaron helio hasta unos 0,2 kelvin, apenas unas décimas por encima del cero absoluto, introdujeron antimuones positivos en su interior y utilizaron la propia física del líquido para expulsar hacia el vacío los átomos de muonio recién formados.
El resultado, publicado en Nature Physics, es un haz intenso y extraordinariamente bien dirigido que los investigadores describen con una expresión difícil de mejorar: un “cañón atómico”. Y podría permitir una prueba de uno de los pilares sobre los que Einstein construyó la relatividad general.
El muonio es un átomo extraño incluso para los estándares de la física de partículas
El muonio está formado por un antimuón positivo y un electrón negativo. Se parece estructuralmente al hidrógeno, pero en lugar de un protón posee esa antipartícula unas 207 veces más pesada que el electrón. Eso lo convierte en un laboratorio excepcional.
La materia cotidiana está construida fundamentalmente con partículas de la llamada primera generación: electrones y los quarks que forman protones y neutrones. El muón, en cambio, pertenece a la segunda generación. Hasta ahora, las pruebas directas de caída libre con sistemas neutros se han realizado con materia ordinaria o con sistemas formados por partículas de primera generación, incluido el antihidrógeno.
La pregunta es aparentemente sencilla: ¿la Tierra atrae al muonio exactamente igual que atrae cualquier otra materia?
Einstein predice que sí. El principio de equivalencia establece, en esencia, que todos los objetos sometidos al mismo campo gravitatorio caen igual independientemente de su composición. La misión MICROSCOPE comprobó este principio con masas de titanio y platino sin encontrar diferencias hasta una precisión cercana a una parte en 10¹⁵. Pero nunca se ha realizado una medición equivalente dominada por la masa de una partícula elemental de segunda generación.
El truco fue meter los átomos en un líquido cuántico y dejar que este los disparara
Las fuentes anteriores de muonio producían átomos que escapaban en muchas direcciones y con velocidades muy distintas. Era suficiente para algunos experimentos, pero desastroso si el objetivo era detectar la diminuta desviación provocada por la gravedad antes de que el muón se desintegrase.
El nuevo sistema utiliza una capa de helio-4 superfluido. Los antimuones penetran en ella, pierden energía y capturan electrones generados durante su recorrido. Así nace el muonio. Aquí ocurre lo interesante.
El muonio tiene una energía potencial química positiva dentro del helio. Al alcanzar la superficie, esa energía se transforma en movimiento y el átomo sale impulsado prácticamente perpendicular al líquido, con una velocidad cercana a los 2.180 metros por segundo y una dispersión relativamente pequeña. “Estamos utilizando el potencial químico como un cañón atómico”, explica Jesse Zhang, primer autor del trabajo.
No es “frío” porque los átomos se muevan despacio. Lo es porque todos salen con velocidades muy parecidas y en direcciones casi paralelas, justo lo que necesitaban los investigadores para convertir el muonio en una herramienta de precisión. El artículo concluye que el nuevo haz debería permitir una medición de su aceleración gravitatoria con precisión del orden del 1%.
Ahora viene la parte difícil: medir cuánto cae antes de desaparecer
El siguiente aparato será un interferómetro formado por diminutas rejillas. El muonio se comportará también como una onda cuántica y, al atravesarlas, generará un patrón de interferencia.
Si la gravedad tira de los átomos hacia abajo durante su brevísima existencia, ese patrón debería desplazarse una cantidad diminuta. Midiendo ese cambio, el equipo podrá calcular por primera vez directamente la aceleración gravitatoria del muonio. ETH espera probar el método con el nuevo haz durante 2026 y, si el desarrollo avanza como está previsto, comenzar el experimento gravitatorio en los próximos dos o tres años.
El precedente más famoso llegó en 2023, cuando ALPHA-g, en el CERN, observó que los átomos de antihidrógeno caían hacia la Tierra con un resultado compatible con la gravedad convencional y descartó una “antigravedad” repulsiva de igual magnitud. Pero el muonio permitirá preguntar algo diferente.
No contiene protones ni neutrones y, por tanto, su masa no está dominada por la compleja interacción fuerte que mantiene unidos los quarks. Es un sistema puramente leptónico cuya masa procede casi por completo de una partícula elemental de segunda generación.
Nadie ha encontrado todavía una grieta en Einstein. De hecho, el nuevo experimento aún no ha medido la gravedad del muonio. Lo que acaba de conseguir es construir la herramienta que hará posible preguntarle a la naturaleza algo que hasta ahora resultaba prácticamente imposible: si una partícula que vive apenas unas millonésimas de segundo cae exactamente igual que todo lo demás en el universo.
