Pesquisadores da ETH Zurique e do Instituto Paul Scherrer desenvolveram um feixe atômico de muônio frio projetado para verificar se a força da gravidade atua sobre partículas de segunda geração de acordo com o princípio de equivalência formulado por Albert Einstein. O método inédito utiliza hélio superfluido resfriado a cerca de 0,2 Kelvin (-273 °C) para disparar os átomos em velocidade controlada no vácuo, criando as condições necessárias para realizar experimentos de interferometria de alta precisão.
O estudo, chefiado pela professora de física Anna Soter e pelo pesquisador Jesse Zhang, foi publicado na revista Nature Physics em 14 de setembro de 2026. A equipe conseguiu produzir partículas atômicas que viajam com velocidade longitudinal média de 2.180 metros por segundo e com uma dispersão estreita, inferior a 150 metros por segundo. Essa uniformidade resolve uma barreira técnica histórica, já que medições gravitacionais em laboratório exigem que os átomos caminhem quase paralelos uns aos outros sem sofrer interferências de trajetórias caóticas.
Canhão atômico com hélio superfluido gera partículas de muônio
Para conseguir a estabilidade do fluxo de partículas, a equipe de cientistas sediada em Villigen e Zurique, na Suíça, adotou uma camada fina de hélio superfluido como meio desacelerador. O muônio é um átomo exótico formado pela união de um antimúon com carga elétrica positiva e um elétron com carga elétrica negativa. Essa configuração resulta em uma estrutura eletricamente neutra, propriedade indispensável para que as forças eletromagnéticas dispersas no ambiente experimental não mascarem a sutil atração exercida pela gravidade terrestre.
A física envolvida no dispositivo aproveita as características do líquido quântico em temperaturas extremamente baixas para expelir as partículas diretamente no vácuo. Em declaração concedida durante a divulgação da pesquisa, Jesse Zhang descreveu o comportamento da substância utilizada na barreira: “O hélio superfluido é o que se conhece como um fluido quântico, no qual os átomos individuais de hélio perdem sua identidade e que não tolera nenhuma impureza dentro de si”, afirmou o pesquisador, em tradução livre. Por causa dessa rejeição física, o átomo exótico recém-formado é empurrado em direção à superfície.
Quando a partícula atinge a interface líquida, a energia do sistema atua diretamente sobre o seu movimento. “Então, estamos usando o potencial químico como um canhão atômico”, complementou Jesse Zhang, em tradução livre. Os testes laboratoriais demonstraram uma eficiência de conversão de 8,6% dos múons desacelerados em átomos de muônio efetivamente ejetados no vácuo. Esse índice viabiliza a geração de um fluxo com densidade suficiente para a leitura dos instrumentos de detecção.
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Desafios da segunda geração e o princípio de equivalência de Einstein
Toda a matéria estável do Universo observável, incluindo objetos inanimados e seres vivos, é formada por partículas fundamentais da chamada primeira geração, composta por elétrons, prótons e nêutrons. O múon pertence à segunda geração do modelo padrão da física de partículas e funciona como uma espécie de irmão mais pesado do elétron, possuindo massa cerca de duzentas vezes maior. Até hoje, a ciência não compreende totalmente por que a natureza apresenta três gerações distintas de partículas elementares e se a massa maior interage com o campo gravitacional exatamente sob a mesma taxa de aceleração.
O postulado de que todos os corpos caem à mesma velocidade em um campo gravitacional uniforme, independentemente de sua composição ou de sua massa, remonta aos experimentos conceituais de Galileu Galilei e Isaac Newton. Mais tarde, Albert Einstein incorporou a universalidade da queda livre como o alicerce fundamental de sua teoria da relatividade geral, chamando-o de princípio de equivalência entre massa inercial e massa gravitacional. Embora essa regra tenha sido comprovada repetidamente com matéria comum e recentemente em antimatéria de primeira geração, como o anti-hidrogênio, ela jamais havia sido colocada à prova com partículas das famílias mais pesadas.
A curta duração dos componentes representa a maior barreira para a física experimental nesse segmento. O tempo de vida médio do múon antes de seu decaimento espontâneo é de apenas 2,2 microssegundos. Esse intervalo minúsculo exige que a partícula seja resfriada, convertida em muônio e arremessada no vácuo em frações ínfimas de segundo, caso contrário os átomos deixam de existir antes de atravessarem a câmara de medição.
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Avanço sobre as tentativas anteriores com sílica porosa
Em experimentos anteriores conduzidos por diferentes grupos científicos internacionais, a produção de feixes atômicos de muônio dependia da passagem de partículas por materiais sólidos de sílica porosa. Embora esse método permitisse a formação dos átomos neutros, o choque mecânico e térmico com as estruturas sólidas provocava uma dispersão caótica em múltiplos ângulos desordenados e em velocidades térmicas incompatíveis com medidas gravitacionais rigorosas.
A professora Anna Soter explicou que o diferencial do novo sistema reside justamente no controle cinético proporcionado pelo meio líquido resfriado: “Conseguimos produzir os átomos de muônio em um estado ‘frio’, que é o que torna o experimento de gravidade possível em primeiro lugar. Nesse caso, ‘frio’ significa que os átomos se propagam em velocidades semelhantes, quase paralelos entre si”, afirmou a pesquisadora da ETH Zurique e do Instituto Paul Scherrer, em tradução livre.
Cronologia do projeto e próximos passos da pesquisa com muônio
O desenvolvimento da tecnologia atômica e o calendário previsto pelos pesquisadores para verificar a teoria gravitacional compreendem os seguintes marcos científicos confirmados:
- 14 de setembro de 2026 — Publicação oficial do estudo sobre a criação do feixe de muônio frio na revista científica Nature Physics.
- 15 de setembro de 2026 — Divulgação conjunta dos dados técnicos do experimento pela ETH Zurique e pelo Instituto Paul Scherrer.
- Fim de 2026 — Período previsto para os primeiros testes operacionais do feixe atômico acoplado ao interferômetro laboratorial.
- 2028 a 2029 — Intervalo estimado pela equipe científica para a medição direta pioneira da aceleração gravitacional sobre o muônio.
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Medição direta da aceleração gravitacional do muônio em desenvolvimento
A medição direta da gravidade sobre o muônio ainda não foi realizada. O avanço anunciado pelos físicos na Suíça consistiu na criação e validação bem-sucedida do mecanismo gerador do feixe homogêneo, etapa técnica essencial sem a qual o teste de queda livre não poderia ser executado.
O próximo passo dos pesquisadores consiste na montagem de um interferômetro atômico, equipamento que explora as propriedades ondulatórias da matéria para criar padrões de interferência luminosa. As alterações mínimas nesse padrão ondulatório, causadas pela atração gravitacional da Terra sobre o feixe em trânsito, permitirão calcular o valor exato da aceleração sofrida pelo átomo exótico ao longo de sua trajetória.