Un nuevo haz de muonio permitirá poner a prueba la teoría de la gravedad de Einstein
Un «cañón atómico» de helio superfluido ha logrado generar un haz preciso de muonio, un átomo exótico que apenas sobrevive unas millonésimas de segundo. Su caída podría descifrar el enigma de si la gravedad actúa igual sobre todas las partículas del universo.
Por Enrique Coperías, periodista científico
Recreación artística de Albert Einstein ante el experimento que permitirá comprobar si el muonio, un átomo exótico formado por un antimuón y un electrón, responde a la gravedad igual que la materia ordinaria. Crédito: IA-DALL-E / RexMolón Producciones
En el interior de un pequeño recipiente enfriado hasta rozar el cero absoluto (-273,15 ºC) un átomo exótico emerge disparado de la superficie de un líquido cuántico. Viaja a más de 7.200 km/h y solo dispone de unas pocas millonésimas de segundo antes de desintegrarse. En ese brevísimo intervalo, los físicos quieren averiguar si la Tierra tira de él con la misma intensidad que de una piedra, un ser humano o cualquier otro objeto compuesto por materia ordinaria.
El átomo se llama muonio y el dispositivo que lo lanza ha sido comparado por sus creadores con un cañón atómico. Investigadores de la Facultad Politécnica Federal de Zúrich (ETH) y del Instituto Paul Scherrer (PSI), en Suiza, han conseguido producir un haz intenso, estrecho y bien dirigido de estos átomos gracias a una fina capa de helio superfluido.
El resultado, publicado en la revista Nature Physics, elimina uno de los mayores obstáculos para realizar una prueba inédita del principio de equivalencia, la idea que se encuentra en el corazón de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein.
En qué es el principio de equivalencia de Einstein
Dicho principio sostiene, en su forma más conocida, que todos los cuerpos caen del mismo modo en un mismo campo gravitatorio, con independencia de su masa o composición.
Así, una pluma y un martillo soltados a la vez y a la misma altura en la Luna, donde no hay aire que frene a la primera, llegan juntos al suelo. Detrás de esta aparente sencillez se encuentra una afirmación mucho más profunda: la masa inercial, que determina cuánto se resiste un cuerpo a cambiar su movimiento, equivale a la masa gravitatoria, que establece cómo responde ese mismo cuerpo a la gravedad.
Esta universalidad de la caída libre ha superado pruebas extraordinariamente exigentes. En 2022, el satélite MICROSCOPE ccomparó la aceleración de dos masas fabricadas con aleaciones de titanio y platino. No encontró ninguna vulneración del principio de equivalencia con una precisión del orden de una parte en 10¹⁵.
Sin embargo, Sin embargo, estas comprobaciones se han realizado fundamentalmente con materia ordinaria, formada por las partículas más familiares del modelo estándar. El nuevo experimento pretende explorar un territorio diferente: la gravedad de las partículas de segunda generación.
El acelerador de partículas del Instituto Paul Scherrer (PSI), en Villigen, donde los investigadores produjeron los antimuones necesarios para generar el nuevo haz de muonio. Cortesía: Markus Fischer / Instituto Paul Scherrer
Qué es el muonio
La materia estable que nos rodea está construida con electrones y con protones y neutrones, estos últimos formados por cuarks up y down. Son las partículas de la primera generación. La naturaleza contiene otras dos familias casi idénticas, pero progresivamente más pesadas e inestables. El muón, por ejemplo, es una especie de hermano pesado del electrón: posee la misma carga, aunque su masa es unas 207 veces mayor. Nadie sabe por qué existen exactamente tres generaciones ni por qué sus masas son tan distintas.
Por su parte, el muonio es un sistema especialmente limpio para investigar este misterio. Se forma cuando un antimuón positivo se une a un electrón negativo. El resultado es un átomo neutro parecido al hidrógeno, pero sin protón ni núcleo atómico. Casi toda su masa corresponde al antimuón, una partícula elemental de segunda generación.
Al no contener protones o neutrones, tampoco intervienen en su estructura las complejas fuerzas que mantienen unidos los cuarks. Es, en esencia, uno de los átomos más simples que puede fabricar un laboratorio.
«Queremos medir la interacción gravitatoria del muón —explica Anna Soter, profesora de la ETH de Zúrich y responsable de la investigación. Una medición de este tipo permitiría comprobar por primera vez directamente si una partícula de segunda generación obedece la misma relación entre masa gravitatoria e inercial que las partículas que forman el mundo cotidiano.
Por qué es tan difícil medir la gravedad del muonio
La neutralidad eléctrica del muonio constituye una ventaja decisiva. No hay que olvidar que la gravedad es extremadamente débil frente al electromagnetismo, por lo que cualquier campo eléctrico residual podría dominar el movimiento de una partícula cargada y ocultar por completo el efecto gravitatorio.
Pero producir un átomo neutro no es suficiente. El antimuón tiene una vida media de solo 2,2 microsegundos, es decir, 2,2 millonésimas de segundo. En ese tiempo, los investigadores deben fabricar el muonio, extraerlo del material donde se ha formado, dirigirlo hacia el aparato de medida y registrar su trayectoria antes de que el antimuón se desintegre.
Las fuentes anteriores utilizaban materiales porosos, como el polvo de sílice y aerogeles. Una parte de los átomos lograba escapar de sus diminutos poros, pero salía en muchas direcciones y con velocidades muy diferentes.
Para un experimento gravitatorio habría sido necesario seleccionar y colimar aquel chorro disperso. El proceso habría eliminado tantos átomos que la medición habría resultado prácticamente inviable.
Los doctorandos Robert Waddy, Jesse Zhang y Paul Wegmann, de izquierda a derecha, calibran el experimento con la línea de haz del Instituto Paul Scherrer. Cortesía: Anna Soter / ETH de Zúrich
Helio superfluido cerca del cero absoluto
El equipo de la ETH de Zúrich y del Instituto Paul Scherrer ha encontrado una solución recurriendo al helio superfluido, enfriado hasta unos 0,2 kelvin, alrededor de 272,95 ºC bajo cero.
A temperaturas tan bajas, el helio se convierte en un fluido cuántico. Sus átomos dejan de comportarse como entidades independientes y el líquido puede fluir sin la viscosidad habitual. Además, su interior tiende a expulsar las impurezas.
Los antimuones producidos en el acelerador del PSI penetran en una capa de helio superfluido de dos milímetros y se detienen, por término medio, a unos 35 micrómetros de la superficie.
Allí captan electrones libres generados por su propio paso a través del material y forman átomos de muonio. LEstos atraviesan el líquido casi sin sufrir colisiones y alcanzan la superficie antes de que el antimuón se desintegre.
La pureza del helio resultó crucial. Los investigadores utilizaron helio 4 con una concentración extremadamente baja de helio 3, ya que esta última variedad puede actuar como una impureza capaz de frenar o dispersar el muonio.
Así funciona el «cañón atómico»
El muonio no se encuentra energéticamente cómodo dentro del helio superfluido. Cuando alcanza la superficie, su denominada energía potencial química se transforma en energía cinética y lo impulsa hacia el vacío.
«Utilizamos el potencial químico como un cañón atómico», resume Jesse Zhang, primer autor del estudio. El proceso produce átomos que avanzan casi paralelos y con velocidades muy similares.
Los investigadores no observaron directamente cada átomo. Reconstruyeron su movimiento mediante los positrones emitidos cuando los antimuones se desintegraban. Una serie de detectores colocados a distintas alturas registró cómo la señal aparecía de forma progresiva más tarde a medida que aumentaba la distancia a la superficie.
Los datos indican que el haz viaja a unos 2.180 metros por segundo, con una dispersión de velocidades de entre 80 metros y 150 metros por segundo. Aproximadamente el 8,2 % de los antimuones que se detienen en el líquido acaba convertido en muonio emitido al vacío.
En física atómica, la voz frío no significa necesariamente lento. En este caso, describe sobre todo un haz ordenado, cuyos componentes tienen velocidades semejantes y apenas divergen. Los científicos lo denominan supertermal, porque la energía de salida no procede de la agitación térmica del líquido, sino del impulso recibido al abandonar el helio.
Jesse Zhang, a la izquierda, y Paul Wegmann completan el cableado de los detectores instalados en el refrigerador de dilución utilizado para enfriar el experimento cerca del cero absoluto. Cortesía: Anna Soter / ETH de Zúrich
Cómo se medirá la caída del muonio
El siguiente paso será hacer pasar el haz por un interferómetro atómico compuesto por tres rejillas microscópicas. Las dos primeras dividirán y recombinarán las ondas asociadas a los átomos, mientras que la tercera permitirá leer el patrón de interferencia resultante.
Aunque solemos imaginar los átomos como pequeñas partículas, la mecánica cuántica establece que también poseen propiedades ondulatorias. Cuando esas ondas recorren caminos diferentes y vuelven a encontrarse, generan franjas de interferencia.
La atracción gravitatoria de la Tierra debería desplazar mínimamente ese patrón en dirección vertical. Midiendo el desplazamiento sería posible calcular la aceleración gravitatoria del muonio.
El diseño propuesto contempla rejillas con un periodo de unos 100 nanómetros y separadas aproximadamente 9,6 milímetros. Las simulaciones indican que el tiempo de interacción más favorable sería de unos 4,5 microsegundos entre las rejillas, a pesar de que para entonces una gran parte de los antimuones ya se habría desintegrado.
Con una producción cercana a 100.000 átomos por segundo, el sistema podría medir la aceleración gravitatoria del muonio con una precisión aproximada del 1% tras unos 100 días de observaciones.
Soter espera realizar durante 2026 las primeras pruebas del interferómetro con el nuevo haz. Si el desarrollo avanza según lo previsto, la medición gravitatoria podría comenzar en los próximos dos o tres años.
El estudio actual, por tanto, no ha descubierto todavía que el muonio caiga de una forma distinta: ha construido la fuente que puede permitir averiguarlo.
Qué sabemos sobre la gravedad de la antimateria
El precedente más cercano llegó en 2023. El experimento ALPHA-g del CERN liberó átomos de antihidrógeno de una trampa magnética y comprobó que se desplazaban hacia la Tierra.
La aceleración medida fue de aproximadamente 0,75g0,75g, aunque con una incertidumbre todavía considerable. El resultado fue compatible con la gravedad ordinaria y permitió descartar que el antihidrógeno experimentase una repulsión gravitatoria equivalente a una supuesta antigravedad, según afirmaron loe autores del estudio en la revista Science. Fue la primera observación directa del efecto de la gravedad sobre antimateria neutra.
El antihidrógeno, sin embargo, contiene un antiprotón. La mayor parte de la masa de protones y antiprotones no procede directamente de las masas de sus quarks, sino de la energía asociada a la interacción fuerte que los mantiene unidos.
El muonio proporcionará una prueba diferente y complementaria. Es un sistema puramente leptónico, sin quarks y sin interacción fuerte en su estructura, cuya masa está dominada por una antipartícula elemental de segunda generación.
La física Anna Soter, de la ETH de Zúrich y el Instituto Paul Scherrer, trabaja en el montaje experimental destinado a estudiar el comportamiento del muonio y comprobar cómo actúa la gravedad sobre esta materia exótica. Cortesía: CHIPP / Anna Soter
¿Podría este experimento refutar a Einstein?
Lo más probable es que el muonio caiga de acuerdo con las predicciones de la relatividad general, la teoría de Einstein que explica la gravedad como una deformación del espacio y el tiempo provocada por la materia y la energía. Cuanta más masa tiene un objeto, más curva el espacio-tiempo a su alrededor y más influye en el movimiento de otros cuerpos.
Una de las ideas fundamentales sobre las que se sostiene esta teoría es precisamente el principio de equivalencia, respaldado hasta ahora por todas las mediciones experimentales.
Sin embargo, la ciencia avanza comprobando las teorías conocidas en sistemas y niveles de precisión nuevos. Einstein no formuló la relatividad general pensando específicamente en átomos exóticos que sobreviven apenas unas millonésimas de segundo.
Si la aceleración del muonio fuera diferente de la esperada, el resultado podría indicar que la gravedad depende de la generación o del tipo de partícula. También podría apuntar hacia una interacción desconocida o una quinta fuerza, añadida a las cuatro interacciones fundamentales reconocidas: gravedad, electromagnetismo, interacción fuerte e interacción débil.
Una diferencia no demostraría automáticamente la existencia de esa quinta fuerza. Primero habría que descartar errores sistemáticos, campos electromagnéticos residuales, problemas de calibración y otras explicaciones experimentales.
Soter mantiene una posición prudente: «Estoy completamente abierta al resultado. Simplemente quiero medir por primera vez si la equivalencia entre masa gravitatoria e inercial también se aplica a la segunda generación de partículas».
El haz también permitirá estudiar la física del muón
La nueva fuente de muonio no se limitará a los experimentos gravitatorios. Su intensidad, dirección y estrecha distribución de velocidades pueden mejorar considerablemente la espectroscopia láser de este átomo.
Un estudio publicado en 2025 propuso combinar la espectroscopia de Ramsey con correcciones individuales del efecto Doppler para medir con mucha más precisión la transición entre los estados energéticos 1S y 2S del muonio.
El nuevo haz podría permitir que el láser interactuase con casi mil veces más átomos que algunas fuentes térmicas anteriores. Su menor velocidad reduciría el ensanchamiento producido por el tiempo que cada átomo permanece dentro del haz láser, mientras que su uniformidad facilitaría la corrección del efecto Doppler.
Estas mediciones servirían para determinar con mayor precisión la masa del muón, poner a prueba la electrodinámica cuántica y buscar indicios de física situada más allá del modelo estándar. ▪️(17-septiembre-2026)
⏱️ LO MÁS IMPORTANTE DEL ESTUDIO, EN 30 SEGUNDOS
- Un nuevo haz de muonio: los investigadores han producido un flujo intenso y preciso de este átomo exótico, formado por un antimuón y un electrón.
- Una prueba inédita de la gravedad: el objetivo es comprobar si el muonio cae igual que la materia ordinaria y cumple el principio de equivalencia de Einstein.
- Un átomo extremadamente fugaz: el muonio solo existe durante unas 2,2 millonésimas de segundo, lo que dificulta enormemente estudiar su caída.
- Helio superfluido como “cañón atómico”: enfriado cerca del cero absoluto, impulsa los átomos de muonio hacia el vacío de forma ordenada y casi paralela.
- Un haz rápido y uniforme: los átomos viajan a unos 2.180 metros por segundo, con una dispersión de velocidades muy pequeña.
- La gravedad aún no se ha medido: el avance consiste en haber creado la fuente de muonio necesaria para realizar el futuro experimento.
- Einstein podría superar otra prueba: si el muonio cae como se espera, la relatividad general ampliará su validez a las partículas de segunda generación.
- Una posible puerta a nueva física: una caída diferente podría apuntar hacia una interacción desconocida o incluso una hipotética quinta fuerza.
Información faclitada por la ETH de Zúrich
Fuente: Zhang, J., Antognini, A., Bartkowiak, M. et al. Generation of a high-intensity, superthermal muonium beam for gravity and laser spectroscopy experiments. Nature Physics (2026). DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-026-03433-x
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