A gravidade afeta todos os tipos de partículas exatamente da mesma forma? Pesquisadores da ETH Zurique e do Instituto Paul Scherrer (PSI) em Willigan estão projetando um experimento que pode testar essa suposição fundamental usando uma das partículas mais incomuns da natureza.
“Demos um passo importante para a realização de um experimento interessante sobre esse tema: “Queremos medir a interação gravitacional dos múons”, afirma o professor de física.
A matéria familiar que constitui as pessoas, os planetas e quase tudo ao nosso redor é composta de prótons, nêutrons e elétrons. Os físicos consideram que essas partículas pertencem à primeira geração da matéria. Existem também duas gerações adicionais, compostas de partículas mais pesadas. Um deles é o múon, um parente mais pesado do elétron de segunda geração.
Os pesquisadores do PSI podem criar múons e suas antipartículas usando um grande acelerador de partículas. Quando um antimuon carregado positivamente se combina com um elétron carregado negativamente, o par forma um átomo neutro conhecido como muônio.
Por que os físicos querem examinar os múons?
O Modelo Padrão da física de partículas descreve essas diferentes gerações de partículas, mas não explica por que existem múltiplas gerações na natureza.
“Mas nós, físicos, ainda não entendemos por que essas gerações extras existem”, diz Soter. “E por que são três ao todo?”
Esse mistério levanta outra questão importante. As partículas pesadas da segunda e terceira gerações respondem à gravidade exatamente da mesma maneira que as partículas mais leves encontradas na primeira geração?
Teste do princípio de equivalência de Einstein
Para a matéria normal, os objetos localizados no mesmo local do campo gravitacional caem na mesma proporção. Galileu Galilei e Isaac Newton reconheceram esta universalidade da queda livre há séculos. Mais tarde, isso se tornou central para a teoria da gravitação de Albert Einstein por meio do princípio de equivalência, que liga a massa gravitacional à massa inercial.
No entanto, até agora os investigadores só demonstraram este princípio com matéria comum ou antimatéria de primeira geração. Medir como o muônio se comporta sob a gravidade fornecerá o primeiro teste envolvendo uma partícula de segunda geração.
“O exótico muônio é muito adequado para isso porque é um átomo neutro”, explica Soter: “Afinal, para fazer algo desmoronar, você precisa de algo neutro”.
A neutralidade é necessária porque a gravidade é extremamente fraca em comparação com o eletromagnetismo. Se os pesquisadores tentarem fazer experiências com uma partícula carregada, os campos eletromagnéticos dispersos poderão afetar o efeito gravitacional que estão tentando detectar.
O muônio apresenta outro grande obstáculo. Os múons vivem apenas 2,2 microssegundos antes de decaírem. Métodos anteriores também produziam átomos de muônio viajando em diferentes velocidades e em muitas direções, tornando-os pouco adequados para medições de gravidade extremamente precisas.
Os pesquisadores do PSI encontraram agora uma solução para esse problema.
“Conseguimos produzir átomos de muônio em um estado ‘frio’, tornando possível o primeiro experimento gravitacional”, diz Soter. “Neste caso, ‘frio’ significa que os átomos se expandem na mesma velocidade, aproximadamente paralelos entre si.”
O hélio superfluido cria um feixe de muônio controlado
Equipe descreve seu novo método para produzir muônio física da natureza.
“Para conseguir isso, usamos hélio superfluido, que foi resfriado a 273 graus Celsius, próximo do zero absoluto”, explica o principal autor do estudo, Jesse Zhang. “O hélio superfluido é conhecido como fluido quântico, no qual os átomos individuais de hélio perdem sua identidade e não tolera quaisquer impurezas dentro de si.”
O processo começa direcionando antimuons do acelerador do PSI para uma fina camada de hélio superfluido. As partículas diminuem a velocidade dentro do hélio. Quando um antimuon encontra um elétron livre, os dois formam um átomo de muônio com potencial químico positivo.
Esse potencial químico retira efetivamente o átomo recém-formado do líquido. Quando atinge a superfície, o potencial químico é convertido em energia cinética, dando ao átomo de muônio um impulso que o envia verticalmente para cima.
“Portanto, estamos usando a capacidade química como um canhão nuclear”, explica Zhang.
Os átomos de muônio devem passar pelo líquido quântico sem colisões e em velocidades previsíveis. A sua vida útil é tão curta que qualquer atraso significativo impedirá que cheguem à superfície antes de se decomporem.
“Para as nossas experiências, também contamos com o acelerador de partículas do PSI, que produz os feixes de múons mais intensos e sustentados do mundo”, diz Soter. “Graças a esta fonte de alta qualidade, os átomos de muônio podem ser produzidos em grande número.”
Observando a gravidade mudar os padrões atômicos
Os pesquisadores estão agora construindo um instrumento chamado interferômetro que medirá como a gravidade da Terra afeta o feixe de muônio.
O dispositivo aproveita as propriedades de onda dos átomos para gerar padrões de interferência. Deveria haver mudanças muito pequenas nesse padrão devido à atração gravitacional da Terra. Medir o deslocamento permitirá aos pesquisadores determinar como a gravidade atua no múon.
“Esperamos poder testar o método pela primeira vez com um feixe atômico este ano e, se tudo correr bem, o experimento de gravidade real será concluído em dois ou três anos”, como diz Soter.
O novo feixe também pode permitir experimentos de espectroscopia a laser mais precisos com muônio. Essas medições poderiam melhorar a compreensão dos cientistas sobre a massa do múon e as constantes físicas fundamentais, outro objetivo de longo prazo do grupo de pesquisa.
O quinto poder pode ser revelado através de experimentos?
Se o muônio reagir à gravidade de maneira diferente da matéria normal, os efeitos poderão ser profundos.
“Isso seria verdadeiramente surpreendente e, entre outras teorias, poderia apontar para a existência de um quinto poder”, sublinha Soter.
A física moderna reconhece quatro interações fundamentais: gravidade, eletromagnetismo, interação forte e interação fraca. Os cientistas propuseram repetidamente a possibilidade de uma quinta força adicional, mas tal força nunca foi confirmada.
Encontrar um não é o objetivo principal do experimento de Soter. O objetivo imediato é mais fundamental: determinar se uma das teorias centrais de Einstein também se aplica a uma geração diferente de partículas.
“Quero ser o primeiro a medir se a semelhança entre a gravidade e a massa inercial também se aplica às partículas de segunda geração – só isso já é uma tarefa bastante inspiradora.”
Esta pesquisa é apoiada pelo Centro Nacional de Competência em Pesquisa muoniverso.
