Un equipo de ETH Zurich y el Instituto Paul Scherrer (PSI) generó un haz intenso y dirigido de muonio, un átomo exótico formado por un antimuón positivo y un electrón. El estudio, publicado el 14 de septiembre en Nature Physics, todavía no ha medido cómo cae este sistema ni ha hallado una desviación de Einstein. Su resultado es haber creado una fuente con la calidad necesaria para intentar un interferómetro que ponga a prueba la universalidad de la caída libre en un sistema con partículas de segunda generación.
El muonio no es antimateria pura
El muonio es eléctricamente neutro, pero no es un átomo de antimateria pura: une un antimuón, la antipartícula del muón, con un electrón. La mayor parte de su masa proviene del antimuón, una partícula elemental de segunda generación. Esa composición lo vuelve útil para estudiar la gravedad en un sector que no se había medido de forma directa.
La prueba en juego es la universalidad de la caída libre, parte del principio de equivalencia débil. En términos simples, plantea que los cuerpos sometidos al mismo campo gravitatorio caen con la misma aceleración, sin importar su composición interna. La materia ordinaria ya se ha puesto a prueba con una precisión fraccional del orden de 10^-15, y el experimento ALPHA observó en 2023 que el antihidrógeno cae de una forma compatible con la atracción terrestre.
Por eso el nuevo haz no es un veredicto sobre toda la relatividad general ni una prueba de "antigravedad". Busca extender la medición a un sistema cuya masa está dominada por un antimuón de segunda generación. Una diferencia, si se midiera y confirmara, exigiría una explicación física nueva; el equipo aún no cuenta con ese resultado.
El helio superfluido funciona como un cañón atómico
El obstáculo principal es que el muón vive apenas unos 2.2 microsegundos. Las fuentes previas de muonio enviaban los átomos en muchas direcciones y con velocidades muy distintas, una combinación que dejaba pocos candidatos útiles para una medición de gravedad.
En PSI, el equipo dirigió muones positivos a una capa de 2 milímetros de helio superfluido a unos 0.2 kelvin. Allí se forma muonio, que se desplaza hacia la superficie y sale al vacío impulsado por el potencial químico del líquido. Jesse Zhang, autor principal del artículo, describió el mecanismo como un "cañón atómico".
El trabajo midió una velocidad longitudinal de aproximadamente 2,180 metros por segundo y una dispersión compatible con entre 80 y 150 metros por segundo. También estimó que 8.2% de los muones que se detienen en el helio terminan como muonio emitido al vacío. En este contexto, que el haz sea "frío" no significa que avance despacio: significa que sus átomos salen con velocidades similares y trayectorias mucho más paralelas que las de las fuentes térmicas convencionales.
La prueba de gravedad sigue por hacerse
El siguiente paso es un interferómetro de tres rejillas. Las ondas asociadas a los átomos formarían un patrón de interferencia y la gravedad desplazaría ese patrón una cantidad diminuta. Medir ese desplazamiento permitiría inferir la aceleración gravitatoria del muonio.
Los autores calculan que, si una línea de mayor intensidad de PSI entrega alrededor de 100,000 átomos de muonio por segundo y la fuente se adapta a la geometría del interferómetro, el experimento podría alcanzar una precisión relativa de cerca de 1% tras unos 100 días de medición. Es una proyección condicionada al diseño del instrumento, no una precisión obtenida.
Anna Soter, profesora de física en ETH Zurich, dijo que el grupo espera probar el método con el nuevo haz durante 2026. Si esa fase funciona, el experimento de gravedad podría realizarse dos o tres años después, una meta tentativa para 2028 o 2029, no una fecha confirmada.
El haz también podría mejorar la espectroscopia láser del muonio, con aplicaciones para medir con mayor precisión la masa del muón y someter la electrodinámica cuántica de estados ligados a pruebas más estrictas. La novedad, por ahora, es haber resuelto el problema de la fuente: falta observar el patrón de interferencia que convierta esa capacidad en una medición de gravedad.
