Novo feixe de muónio pode testar a gravidade da antimatéria

De acordo com a teoria da relatividade geral de Einstein, a gravidade não faz distinções.

Seja matéria ou antimatéria, para a gravidade é tudo igual: ambas deveriam cair exatamente da mesma forma.

Até agora, as investigações científicas sobre este fenómeno estão, em termos gerais, de acordo. À gravidade não interessa a composição de um objeto - a atração acontece de qualquer maneira.

Lamentamos, amigos, mas a física não cria as regras; limita-se a descrevê-las. Neste caso, esta forma universal de atração gravitacional chama-se princípio da equivalência fraca.

Existem, contudo, alguns domínios demasiado invulgares para terem sido testados. Agora, físicos abriram caminho para uma nova investigação no domínio da antimatéria.

Construíram e testaram um feixe de muónio - um fluxo de “átomos” exóticos que contém antimatéria e que poderá, finalmente, permitir aos físicos observar como a gravidade atua sobre eles antes de desaparecerem.

“Demos um passo importante rumo à realização de uma experiência entusiasmante sobre este tema”, afirma a física Anna Soter, da ETH Zürich, autora correspondente de um artigo publicado na Nature Physics.

“Queremos medir a interação gravitacional do muão.”

Princípio da equivalência fraca e o muónio

Para o conseguirem, os investigadores precisam de muónio - uma estranha partícula semelhante a um átomo, de vida curta, formada por um antimuão com carga positiva e um eletrão com carga negativa, o que torna o conjunto eletricamente neutro.

O antimuão é a contraparte de antimatéria do muão, uma partícula fundamental semelhante ao eletrão, mas cerca de 200 vezes mais massiva. Por isso, praticamente toda a massa do muónio provém do seu componente de antimatéria.

Esta característica torna o muónio muito diferente da antimatéria que os físicos já submeteram à gravidade.

Em 2023, a experiência ALPHA do CERN demonstrou que o anti-hidrogénio - composto por um antiprotão e um positrão - cai em direção à Terra de uma forma compatível com a matéria comum.

Foi um resultado marcante, mas os protões e os antiprotões não são partículas fundamentais. São objetos compostos por quarks. Já o antimuão é uma partícula elementar pertencente à segunda geração de partículas fundamentais.

Assim, uma experiência gravitacional com muónio entraria num território de queda livre que nenhuma outra experiência conseguiu investigar.

“O muónio exótico é muito adequado para isto porque é um átomo neutro”, explica Soter. “Afinal, para fazer algo cair, é preciso que esse algo seja neutro.”

Há, porém, um pequeno obstáculo.

O muónio existe apenas durante cerca de 2.2 microssegundos antes de decair. Não é muito tempo para realizar uma medição.

Como criar um feixe de muónio controlado

Os investigadores concluíram que poderiam compensar a curta duração do muónio com quantidade: uma autêntica torrente de partículas de muónio, deslocando-se num feixe rigorosamente controlado, sobretudo na mesma direção e aproximadamente à mesma velocidade.

“Como os átomos de muónio têm uma vida tão curta, precisamos de começar com um grande número para que sobrevivam suficientes durante tempo bastante para serem medidos depois de caírem durante alguns microssegundos”, afirma Soter.

As fontes de muónio existentes não são particularmente eficazes para esse fim. Produzem feixes “térmicos” difusos, lançando átomos numa grande variedade de ângulos e velocidades. Por isso, a equipa encontrou outra solução: disparar antimuões contra uma camada de hélio superfluido arrefecido até cerca de 0.2 Kelvin.

Ao entrarem no hélio, os antimuões perdem rapidamente energia e imobilizam-se logo abaixo da superfície. Nessa zona, um antimuão pode captar um eletrão que deixou para trás durante a passagem pelo hélio, formando muónio.

Depois, o superfluido faz algo extremamente útil.

O muónio não aprecia particularmente permanecer dentro do hélio superfluido. A interação entre ambos fornece energia adicional ao muónio, empurrando efetivamente os “átomos” recém-formados em direção à superfície.

Quando lá chegam, são expelidos para o vácuo acima a uma velocidade determinada, em grande medida, por esse impulso energético - ao contrário do movimento térmico aleatório que torna as fontes convencionais de muónio tão desorganizadas.

O resultado é um fluxo de muónio notavelmente ordenado, projetado a cerca de 2.2 quilómetros por segundo e com uma dispersão de velocidades muito menor. Cerca de 8 percent dos antimuões enviados para o hélio acabaram por emergir no vácuo sob a forma de muónio.

Detetores colocados acima do hélio permitiram à equipa reconstruir as trajetórias dos átomos de muónio a partir das partículas produzidas quando estes decaíam. As medições confirmaram o feixe estreito e rápido que esperavam obter.

Medir a gravidade com um feixe de muónio

Ainda assim, a experiência não está totalmente preparada para determinar o que a gravidade faz a estas partículas.

Por um lado, o feixe aponta atualmente na direção errada.

O hélio superfluido expulsa o muónio verticalmente para cima. Para medir a sua aceleração sob a ação da gravidade, os investigadores precisam de fazer as partículas viajar na horizontal, dando à gravidade a oportunidade de as puxar ligeiramente para baixo durante o seu breve percurso.

A equipa já está a desenvolver uma forma de desviar o feixe para o lado. A peça seguinte deste quebra-cabeças é um interferómetro capaz de medir esse deslocamento gravitacional incrivelmente pequeno.

O dispositivo proposto faria o muónio atravessar três redes extremamente finas, separadas por apenas alguns milímetros. Devido às particularidades da mecânica quântica, as partículas também se comportam como ondas, formando um padrão de interferência ao passarem pelas redes.

Se a gravidade atuar sobre o muónio como previsto, a sua atração descendente deverá deslocar esse padrão numa quantidade minúscula. Ao medir essa alteração, os cientistas poderão determinar a aceleração gravitacional do muónio.

Com o novo feixe, os investigadores estimam que poderão, eventualmente, medir essa aceleração com uma precisão de cerca de 1 percent.

Esperam testar o método com o feixe atómico até ao final deste ano, podendo a experiência de gravidade propriamente dita ocorrer dois ou três anos depois.

Será então possível verificar se o muónio se comporta de forma anómala sob a gravidade. Caso isso aconteça, poderá indicar a existência de uma quinta força física no Universo. Mas, mesmo que não aconteça, Soter afirma que a sua equipa terá realizado algo magnífico.

“Quero simplesmente medir, pela primeira vez, se a equivalência entre a massa gravitacional e a massa inercial também se aplica à segunda geração de partículas - só isto já é um trabalho bastante inspirador”, diz.

Pobre Einstein: morreu há mais de 70 anos e continua a ter de fazer exames.

A investigação foi publicada na Nature Physics.

Este artigo foi verificado por Fiona MacDonald e editado por Fiona MacDonald. Embora tenhamos orgulho no nosso processo, somos apenas humanos. Se detetar um erro, informe-nos.