En una cámara de cobre del Instituto Paul Scherrer (PSI), en Villigen (Suiza), una capa de helio de 2 milímetros de espesor se mantiene a unos 0,2 kelvin, dos décimas de grado por encima del cero absoluto. Los físicos lanzan contra ella antimuones de un acelerador y de su superficie salen disparados hacia arriba átomos de muonio a unos 2180 metros por segundo, casi en línea recta, con los que quieren poner a prueba la gravedad de Einstein en un átomo cuya caída nunca se ha medido.
El trabajo, firmado por once investigadores de la ETH Zúrich, del PSI y de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia (Alemania), se publicó el 14 de septiembre de 2026 en Nature Physics. Lo dirige Anna Soter, profesora de física de la ETH Zúrich y del PSI. «Hemos dado un paso importante para llevar a cabo un experimento apasionante sobre esta cuestión», explicó en la nota de prensa de la ETH Zúrich. «Queremos medir la interacción gravitatoria del muón».
Un átomo con un antimuón en el lugar del protón
El muonio se parece a un átomo de hidrógeno, aunque en su centro tiene un antimuón, la antipartícula del muón, con carga positiva, en el lugar que ocuparía el protón. Un electrón ligado a él completa un átomo eléctricamente neutro.
Todo lo que nos rodea está hecho de protones, neutrones y electrones, lo que los físicos llaman primera generación de partículas. El muón es el hermano pesado del electrón y pertenece a la segunda generación. «Pero los físicos todavía no entendemos por qué existen estas generaciones adicionales», señala Soter. «¿Y por qué hay tres en total?».
Casi toda la masa del muonio procede del antimuón, una partícula elemental unas 207 veces más pesada que el electrón, mientras que en protones y neutrones la mayor parte la aporta la interacción fuerte, la fuerza que mantiene unidos los núcleos.
Lo que ya se ha comprobado con materia y antimateria
En un mismo punto de un campo gravitatorio, todos los cuerpos caen con la misma aceleración. Esa universalidad de la caída libre, conocida desde Galileo y Newton, es el principio de equivalencia entre masa gravitatoria y masa inercial, y Einstein la convirtió en uno de los pilares de su teoría de la gravitación.
Con materia corriente se ha comprobado en laboratorio y desde satélites con una precisión relativa de alrededor de 10-15, recuerdan los autores, y pruebas menos precisas la han extendido de átomos sueltos y neutrones a cuerpos celestes. A otra escala, la relatividad general también salió reforzada cuando se midió la gravedad en 300.000 galaxias. El experimento ALPHA del CERN confirmó además que el antihidrógeno cae hacia la Tierra con una aceleración compatible con la de la materia normal.
Todas las pruebas de caída libre hechas hasta ahora, sin embargo, usaron protones, neutrones o antiprotones, partículas de primera generación. «El muonio exótico se presta muy bien a esto porque es un átomo neutro», explica Soter. «Al fin y al cabo, para hacer caer algo se necesita algo neutro». En una partícula con carga, los campos electromagnéticos residuales taparían el efecto de la gravedad, entre 30 y 40 órdenes de magnitud más débil.
Dos millonésimas de segundo para hacerlo todo
El principal obstáculo es el tiempo, porque un muón se desintegra en unos 2,2 microsegundos, poco más de dos millonésimas de segundo, y en ese plazo hay que formar el átomo, sacarlo al vacío y medirlo.
Las fuentes anteriores usaban materiales porosos, como polvo de sílice o aerogel, de los que solo escapaban unos pocos por ciento de los átomos, en todas direcciones y con velocidades muy dispersas.
«Hemos conseguido producir los átomos de muonio en estado “frío”, que es lo que hace posible el experimento de gravedad», afirma Soter. «En este caso, “frío” significa que los átomos se propagan a velocidades parecidas, casi paralelos entre sí».
Un cañón atómico de helio superfluido
«Para lograrlo utilizamos helio superfluido enfriado cerca del cero absoluto, a menos 273 grados Celsius», explica Jesse Zhang, primer autor del estudio. «El helio superfluido es lo que se conoce como un fluido cuántico, en el que los átomos de helio pierden su identidad individual y que no tolera ninguna impureza en su interior».
Los antimuones frenan a una profundidad media de 35 micras bajo la superficie del líquido y capturan un electrón suelto del rastro de ionización que dejan al entrar. El átomo de muonio recién formado viaja hasta la superficie en unos 2 microsegundos y el líquido lo expulsa en vertical, porque su energía allí dentro es mayor que fuera. «Así que usamos el potencial químico como un cañón atómico», resume Zhang.
El helio tuvo que purificarse hasta dejar un átomo de helio-3 por cada billón de helio-4, ya que con helio comercial del 99,9999 % no salió muonio al vacío.
El resultado es un haz con una velocidad media de 2180 metros por segundo, unos 7850 kilómetros por hora, y una dispersión de entre 80 y 150 metros por segundo. Del total de antimuones frenados en el helio, el 8,2 % salió al vacío como muonio, lo que da tasas de átomos comparables a las de los mejores aerogeles a temperatura ambiente, con una distribución de velocidades unas diez veces más estrecha que la de las fuentes de sílice enfriadas a 100 kelvin (unos −173 °C).
En un comentario publicado en la misma revista, Jian Tang y Shihan Zhao, de la Universidad Sun Yat-sen de Cantón (China), escriben que se ha logrado «un haz de muonio intenso y supertérmico con una distribución de velocidades mucho más estrecha que la de las fuentes existentes».
Un interferómetro para ver cuánto cae
El siguiente paso es un interferómetro, un aparato que aprovecha que los átomos se comportan también como ondas, el mismo fenómeno que permitió que partículas metálicas de más de 7000 átomos se comportaran como ondas cuánticas. Tres rejillas con rendijas cada 100 nanómetros, separadas unos 9,6 milímetros, crean un patrón de franjas que la gravedad de la Tierra desplaza hacia abajo.
Con los 4,5 microsegundos de vuelo que propone el estudio, ese desplazamiento es de alrededor de una décima de nanómetro, de ahí que hagan falta muchísimos átomos para medirlo.
Con unos 100.000 átomos de muonio por segundo en la línea más potente del instituto, los autores calculan que, con la fuente adaptada a un haz horizontal, podrían medir la aceleración gravitatoria del muonio con una precisión del 1 % en unos 100 días.
La futura mejora High Intensity Muon Beams (HIMB) del PSI debería multiplicar por cien el número de átomos. «Es una perspectiva muy emocionante para las medidas de precisión, porque nuestra medición está limitada por la estadística», dice Soter, que también ha fijado un calendario aproximado: «Esperamos poder probar el método con el haz atómico por primera vez este año y, si todo va bien, el experimento de gravedad propiamente dicho debería llegar dentro de dos o tres años».
Lo que este resultado todavía no demuestra
Nadie ha medido aún cómo cae el muonio, de modo que el trabajo no contradice a Einstein ni aporta ninguna prueba de nuevas fuerzas. Lo que publica es una fuente de átomos; los autores escriben que este haz «debería permitir la interferometría con muonio y una medición de su aceleración gravitatoria al nivel del uno por ciento».
Ese 1 % queda muy lejos de la precisión de 10-15 alcanzada con materia corriente. Las cifras del haz salen de una línea de muones de baja intensidad, con unos 15.000 antimuones por segundo, y los 100 días son una proyección para la línea más potente. Además, el muonio sale ahora en vertical y medir la gravedad exige un haz horizontal, algo que el equipo intenta resolver con estructuras de silicio que sostengan el helio en vertical.
Si algún día el muonio cayera de forma distinta, «sería realmente sorprendente y, además de otras teorías, podría apuntar a la existencia de una quinta fuerza», reconoce Soter. La física trabaja con cuatro interacciones fundamentales, y otros experimentos, como el reloj nuclear que busca la quinta fuerza de la naturaleza, también la buscan sin que nadie la haya demostrado.
«Tengo la mente completamente abierta», insiste la investigadora. «Solo quiero medir, por primera vez, si la equivalencia entre masa gravitatoria y masa inercial se cumple también en la segunda generación de partículas, y eso por sí solo ya es un trabajo muy estimulante».
La masa del muón, el otro objetivo
El haz también sirve para la espectroscopia láser, que mide con luz la energía de los saltos del electrón entre niveles del átomo. Según el estudio, el láser podría alcanzar unas 800 veces más átomos que con una fuente fría de sílice, con lo que la medición de la transición 1S-2S del muonio bajaría del kilohercio de precisión y ayudaría a fijar la masa del muón.
El estudio completo se ha publicado en Nature Physics, junto con un comentario de Jian Tang y Shihan Zhao.
La investigación cuenta con el apoyo del Centro Nacional de Competencia en Investigación Muoniverse, de Suiza.
Foto: Robert Waddy / ETH Zúrich
