Resumen:
Científicos del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zúrich y del Instituto Paul Scherrer lograron recientemente importantes avances. Utilizaron helio superfluido cercano al cero absoluto para crear un haz de átomos de muones altamente controlable. Planean utilizar este átomo especial para probar directamente si la gravedad tiene exactamente el mismo efecto sobre las partículas elementales de segunda generación que la materia ordinaria.
La clave de esta investigación no es demostrar que existen problemas con la teoría de Einstein, sino intentar por primera vez extender el objetivo de probar el principio de equivalencia gravitacional a la segunda generación de partículas elementales. Si el experimento finalmente descubre que el movimiento de los murinos en el campo gravitacional de la Tierra es inexplicablemente diferente del de la materia ordinaria, los resultados podrían proporcionar pistas para una nueva física más allá del modelo estándar actual, e incluso involucrar una hipotética "quinta fuerza fundamental".
La materia en el mundo cotidiano está compuesta principalmente de protones, neutrones y electrones. Estas partículas pertenecen a las llamadas partículas elementales de primera generación. También existen en la naturaleza partículas de segunda y tercera generación con mayor masa, entre las cuales los muones son los "parientes" de segunda generación de los electrones. La masa de un muón es aproximadamente 207 veces mayor que la de un electrón, pero no es un componente estable de los átomos ordinarios, sino una partícula elemental con una vida útil extremadamente corta.
El modelo estándar puede describir estas diferentes generaciones de partículas, pero no puede explicar una pregunta fundamental de larga data: por qué la naturaleza requiere tres generaciones de partículas elementales y por qué, además de la primera generación, también hay partículas de segunda y tercera generación con masas significativamente mayores.
Por lo tanto, los científicos esperan aprender más sobre las propiedades fundamentales de estas partículas estudiando el comportamiento gravitacional de los muones. Una cuestión clave es si el principio de equivalencia de Einstein se aplica no sólo a la materia ordinaria, sino también a la materia formada por partículas elementales de segunda generación.
El llamado principio de equivalencia está relacionado con un fenómeno muy familiar: cuando se ignoran factores externos como la resistencia del aire, objetos de diferentes masas y composiciones caerán libremente de la misma manera en el mismo campo gravitacional. La física moderna vincula este fenómeno a la equivalencia entre masa gravitacional e inercial, que es también uno de los fundamentos importantes de la relatividad general.
En el pasado, los humanos han realizado una gran cantidad de experimentos de alta precisión utilizando materia ordinaria y también han realizado pruebas de gravedad en la primera generación de antimateria, pero la situación es completamente diferente para la segunda generación de partículas elementales. Estudiar la gravedad de los muones es difícil porque los muones sólo viven una media de unos 2,2 microsegundos antes de desintegrarse.
Los investigadores eligieron un tipo especial de átomo llamado "musina" para resolver parte del problema. Los muones están compuestos por un antimuón cargado positivamente y un electrón cargado negativamente. Cuando se combinan, los dos son eléctricamente neutros. Aunque su estructura es similar a la de un átomo de hidrógeno, la mayor parte de su masa proviene de los antimuones, que son mucho más pesados que los electrones.
La neutralidad eléctrica es una condición importante para la realización de experimentos. La gravedad en sí es muy débil. Si las partículas cargadas participan directamente en los experimentos, el campo electromagnético extremadamente débil que las rodea puede tener un impacto mucho mayor que el efecto gravitacional, ahogando por completo la señal que los científicos realmente quieren medir.
Sin embargo, todavía existe un problema grave con los métodos anteriores de producción de mucina: la velocidad y la dirección del movimiento de la mucina producida varían mucho. Esto hace que sea difícil para los científicos medir con precisión su trayectoria cuando tiene una vida útil de sólo 2,2 microsegundos, y mucho menos buscar desviaciones extremadamente pequeñas causadas por la gravedad de la Tierra.
El mayor avance de esta investigación es resolver el problema del control del haz de muones.
El equipo de investigación disparó antimuones desde el acelerador de partículas del Instituto Paul Scherrer a una capa de helio superfluido a una temperatura cercana al cero absoluto. El helio superfluido es un fluido cuántico especial que presenta propiedades muy especiales a temperaturas extremadamente bajas.
Después de entrar en helio superfluido, los antimuones se desacelerarán rápidamente y pueden combinarse con electrones libres para formar muones. Luego, el murino se somete al potencial químico especial del helio superfluido. Cuando llega a la superficie del líquido, la energía almacenada en este potencial químico se convierte en energía cinética, lo que hace que el murino vuele verticalmente hacia arriba desde la superficie del líquido.
Por lo tanto, los investigadores llaman vívidamente a este proceso "cañón atómico".
En comparación con los desordenados muones producidos en el pasado, el nuevo método puede crear haces de mucina "fríos" con velocidades más consistentes y direcciones de movimiento más paralelas. "Frío" aquí no significa simplemente baja temperatura, sino que la distribución de la velocidad de movimiento de estos átomos está más concentrada y puede propagarse en direcciones casi paralelas a una velocidad relativamente constante.
Esto es crucial para el próximo experimento de gravedad. Dado que los muones sólo pueden existir durante unos pocos microsegundos, los investigadores deben permitirles completar todo el proceso, desde la producción, el vuelo hasta la medición, en muy poco tiempo. El helio superfluido no sólo ayuda a producir un haz de muones más regular, sino que también permite que los muones eviten numerosas colisiones y dispersión antes de abandonar el líquido.
El siguiente paso de los investigadores es utilizar un interferómetro atómico para realizar mediciones reales de la gravedad. Los átomos tienen dualidad onda-partícula y, por tanto, pueden interferir como las ondas de luz. Los científicos pasarán un haz de átomos murinos a través de un dispositivo de interferencia diseñado con precisión y luego observarán si la gravedad de la Tierra provoca cambios extremadamente pequeños en el patrón de interferencia resultante.
Si esta desviación se puede medir con precisión, se puede calcular el movimiento de los muones en el campo gravitacional de la Tierra, probando así directamente si las partículas de segunda generación siguen las mismas leyes de caída libre que la materia ordinaria.
El equipo de investigación espera probar primero todo el enfoque experimental este año utilizando el haz atómico recién creado. Si todo va bien, se espera que en los próximos dos o tres años se lleve a cabo un experimento real sobre la gravedad de los muones.
Esta tecnología también tiene otros usos. Dado que ahora se dispone de un haz de muones más regular y de mayor intensidad, los investigadores también pueden utilizarlo para realizar experimentos de espectroscopia láser más precisos. Se espera que estas mediciones ayuden a los científicos a determinar mejor la masa del muón y otras constantes físicas fundamentales.
Lo realmente emocionante son los posibles "resultados inesperados" del experimento.
Si los murinos se comportan de manera diferente a la materia ordinaria en un campo gravitacional, significaría que hay algún factor no descubierto en la teoría física existente. Los investigadores creen que la anomalía puede incluso apuntar a una "quinta fuerza fundamental" aún no descubierta, entre otras posibles explicaciones teóricas.
En la actualidad, la física ha confirmado cuatro interacciones básicas: la gravedad, la interacción electromagnética, la interacción fuerte y la interacción débil. Los físicos han propuesto varios modelos teóricos para la posible existencia de una quinta fuerza fundamental en el pasado, pero hasta ahora no ha habido evidencia experimental directa aceptada.
Sin embargo, el equipo de investigación no diseñó este experimento para "encontrar la quinta fuerza". Los investigadores subrayaron que el objetivo más directo e importante del experimento es en realidad más fundamental: medir por primera vez si los muones compuestos de partículas elementales de segunda generación siguen también la relación equivalente entre masa gravitacional y masa inercial.
Por lo tanto, esta investigación actualmente no revierte la teoría de Einstein ni descubre una quinta fuerza. Los científicos finalmente han construido una técnica experimental que realmente puede medir este problema.
Si el resultado final se ajusta a las predicciones de la relatividad general, demostrará además que el principio de equivalencia se aplica no sólo a la materia de primera generación que conocemos, sino también a las partículas elementales de segunda generación; Si los resultados se desvían de una manera fiable que no pueda explicarse mediante errores conocidos, entonces los físicos tendrán que reexaminar la teoría existente y buscar nuevos mecanismos físicos que puedan explicar esta anomalía.
En otras palabras, el objetivo real de este llamado "cañón atómico" no es el propio Einstein, sino una pregunta fundamental que ha durado cientos de años: si los diferentes tipos de materia en el universo realmente sienten la gravedad exactamente de la misma manera.
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