Para comprobar cómo cae algo normalmente basta con soltarlo y observar qué ocurre. El problema aparece cuando aquello que queremos dejar caer solo existe durante unas millonésimas de segundo.
Eso es precisamente lo que intenta hacer un equipo de ETH Zúrich y el Instituto Paul Scherrer (PSI) con el muonio, un extraño átomo formado por un antimuón positivo y un electrón. Los investigadores acaban de superar uno de los mayores obstáculos del experimento: generar un haz intenso y extremadamente ordenado de estos átomos que viaja a aproximadamente 2,18 kilómetros por segundo.
El trabajo, publicado el 14 de septiembre en Nature Physics, no ha medido todavía cómo cae el muonio. Lo importante es que crea una herramienta con la que esa medición comienza a ser técnicamente posible.
Un átomo que desaparece prácticamente en cuanto nace
El muonio se parece en estructura al hidrógeno, pero en lugar de un protón tiene un antimuón, la antipartícula del muón. Este último es unas 200 veces más pesado que un electrón y, por tanto, aporta prácticamente toda la masa del átomo.
Esa característica lo convierte en un objeto especialmente interesante. En 2023, el experimento ALPHA del CERN consiguió observar directamente el efecto de la gravedad sobre antihidrógeno y encontró que, dentro de la precisión disponible, este cae hacia la Tierra de forma compatible con la materia convencional. Sin embargo, el antiprotón del antihidrógeno es una partícula compuesta por antiquarks. El muonio ofrece algo distinto: estudiar la gravedad utilizando masa procedente principalmente de una antipartícula elemental de segunda generación.
El inconveniente es considerable. El antimuón tiene una vida media de apenas 2,2 microsegundos, de modo que el átomo desaparece casi inmediatamente después de formarse. Las fuentes tradicionales tampoco ayudaban: producían muonio que salía disparado con velocidades y direcciones demasiado dispersas como para realizar una medición gravitatoria extremadamente precisa.
La solución fue sumergir los muones en helio casi al cero absoluto
Los investigadores utilizaron una capa de apenas dos milímetros de helio superfluido enfriado hasta aproximadamente 0,2 kelvin. Los muones positivos penetran en el líquido, frenan a unos 35 micrómetros de su superficie y capturan electrones, formando muonio. Entonces ocurre la parte especialmente útil.
El muonio se desplaza hacia la superficie y, debido a su interacción energética con el helio, termina expulsado al vacío en una dirección muy concreta. El análisis detallado determinó una velocidad longitudinal de aproximadamente 2.180 metros por segundo, con una dispersión mucho menor que la de las fuentes térmicas convencionales. Además, alrededor del 8,2% de los muones que se detienen en el helio terminan convertidos en muonio que escapa al vacío, una eficiencia suficiente para obtener un haz intenso sin sacrificar su extraordinaria uniformidad.
No es tanto la velocidad lo que importa como que prácticamente todos los átomos salgan siguiendo condiciones muy parecidas. Esa regularidad es la que permitirá buscar una desviación diminuta causada por la gravedad.
La caída que buscan medir será de una escala minúscula
El siguiente paso del proyecto LEMING será redirigir el haz a través de un interferómetro formado por tres rejillas. Como el muonio también puede comportarse como una onda cuántica, las dos primeras producirán un patrón de interferencia. Si la gravedad curva ligeramente su trayectoria, ese patrón aparecerá desplazado cuando alcance la tercera.
Los cálculos sitúan la separación óptima entre rejillas en unos 9,6 milímetros. Con las tasas esperadas en PSI, los investigadores estiman que podrían medir la aceleración gravitatoria del muonio con una precisión aproximada del 1% tras unos 100 días de datos. Einstein predice que el resultado debería ser el mismo que para cualquier otro objeto sometido únicamente a la gravedad. El experimento todavía no ha demostrado lo contrario ni ha encontrado una anomalía.
Lo que acaba de conseguir es quizá la parte más difícil: fabricar suficientes átomos para observar cómo cae algo que desaparece apenas 2,2 millonésimas de segundo después de existir.
