Cientistas suíços desenvolvem técnica com átomos de antimateria para testar a gravidade de Einstein

Pesquisadores da ETH Zurique e do Instituto Paul Scherrer (PSI), na Suíça, desenvolveram uma técnica para testar a gravidade utilizando o muônio, um átomo exótico composto por antimateria. O estudo, detalhado na revista Nature Physics, visa verificar se o princípio da equivalência de Albert Einstein — que estabelece que a massa gravitacional e a massa inercial se comportam da mesma forma, independentemente da composição do corpo — permanece válido para partículas de segunda geração.

Até o momento, essa premissa da relatividade geral foi confirmada com matéria comum e antimateria de primeira geração. O novo experimento expande essa análise ao utilizar o muônio, que é formado por um elétron e um antimuão. Por ser uma partícula da segunda geração, o antimuão possui uma massa cerca de 200 vezes maior que a do elétron, fazendo com que a maior parte da massa do átomo derive de sua componente de antimateria. A neutralidade elétrica do muônio é fundamental para que a interação gravitacional, que é muito mais fraca, não seja mascarada por campos eletromagnéticos.

A técnica do "canhão atômico"

O principal obstáculo para a medição é a instabilidade do muônio, que decai em apenas 2,2 microsegundos. Para superar a imprecisão causada pelas velocidades e direções irregulares dos átomos produzidos anteriormente, a equipe liderada por Anna Soter utilizou hélio superfluido resfriado a temperaturas próximas ao zero absoluto.

Nesse processo, antimuões gerados no acelerador do PSI penetram no fluido, perdem energia e capturam um elétron para formar o muônio. Devido ao potencial químico positivo do líquido, os átomos são impulsionados para a superfície, funcionando como um "canhão" atômico. Esse mecanismo gera um feixe ordenado, com átomos que emergem no vácuo em trajetórias paralelas e velocidades constantes de aproximadamente 2,2 km por segundo. Cerca de 8% dos antimuões injetados no hélio completam essa transição.

Próximas etapas e a busca por novas forças

Para que a medição da aceleração gravitacional ocorra, o feixe, que atualmente se move na vertical, precisará ser direcionado horizontalmente. Isso permitirá que a gravidade da Terra desloque os átomos para baixo durante seu curto tempo de vida.

A fase seguinte do projeto prevê a implementação de um interferômetro. O sistema utilizará três placas finas, separadas por milímetros, para criar um padrão de interferência baseado nas propriedades ondulatórias do muônio. A alteração na posição desse padrão, causada pela gravidade, permitirá calcular a aceleração da partícula com uma precisão estimada em 1%.

O cronograma da equipe prevê:

• 2026: Testes do sistema com o feixe atômico.
• Dois a três anos: Realização do experimento gravitacional completo.

Caso os resultados apresentem desvios do comportamento esperado, a ciência poderá investigar a existência de uma hipotética quinta força fundamental, além da gravidade, do eletromagnetismo e das interações forte e fraca. Para ampliar a sensibilidade dos testes, o programa High Intensity Muon Beams do PSI poderá aumentar em cem vezes a quantidade de muônio disponível para as pesquisas.