En nuevos estudios publicados en Physical Review Letters y un número especial de Classical and Quantum Gravity el 14 de septiembre, un equipo de investigadores presentó la prueba más precisa hasta el momento del principio de equivalencia débil, un componente clave de la teoría de la relatividad general. El informe describe los resultados finales de la misión MICROSCOPE, que probó el principio midiendo las aceleraciones de objetos en caída libre en un satélite que orbita la Tierra. El equipo descubrió que las aceleraciones de pares de objetos diferían en no más de una parte en 10 ¹⁵ descartando cualquier violación del principio de equivalencia débil o desviaciones de la comprensión actual de la relatividad general en ese nivel.

"Tenemos restricciones nuevas y mucho mejores para cualquier teoría futura, porque estas teorías no deben violar el principio de equivalencia en este nivel", dice Gilles Métris, científico del Observatorio Côte d'Azur y miembro del equipo MICROSCOPE.

La teoría de la relatividad general, publicada por Albert Einstein en 1915, describe cómo funciona la gravedad y se relaciona con el tiempo y el espacio. Pero debido a que no tiene en cuenta las observaciones de los fenómenos cuánticos, los investigadores buscan desviaciones de la teoría en niveles crecientes de precisión y en diversas situaciones. Tales violaciones sugerirían nuevas interacciones o fuerzas que podrían unir la relatividad con la física cuántica. Probar el principio de equivalencia débil (WEP) es una forma de buscar expansiones potenciales a la relatividad general.

Según el WEP, los objetos en un campo gravitatorio caen de la misma manera cuando no actúan sobre ellos otras fuerzas, aunque tengan diferente masa o composición. Para probar el principio, el equipo de MICROSCOPE diseñó su experimento para medir la relación Eötvös, que relaciona las aceleraciones de dos objetos en caída libre, con una precisión extremadamente alta. Si la aceleración de un objeto difiere de la del otro en más de una parte en 10 ¹⁵ , el experimento lo mediría y detectaría esta violación de la WEP.

Para medir la relación Eötvös, los investigadores monitorearon las aceleraciones de masas de prueba de aleaciones de platino y titanio mientras orbitaban la Tierra en el satélite MICROSCOPE. El instrumento experimental usó fuerzas electrostáticas
para mantener pares de masas de prueba en la misma posición relativa entre sí y buscó diferencias de potencial en estas fuerzas, lo que indicaría diferencias en las aceleraciones de los objetos.

Un desafío importante del experimento fue encontrar formas de probar el instrumento en la Tierra para asegurarse de que funcionaría como se diseñó en el espacio. “La dificultad es que el instrumento que lanzamos no puede operar en tierra”, dice Manuel Rodrigues, científico del laboratorio aeroespacial francés ONERA y miembro del equipo MICROSCOPE. "Así que es una especie de prueba a ciegas".

Una vez que el instrumento estuvo listo, el equipo lo lanzó en 2016. Publicaron los resultados preliminares en 2017, pero continuaron analizando los datos, teniendo en cuenta las fallas y las incertidumbres sistemáticas, después de que la misión terminó en 2018. Finalmente, no encontraron ninguna violación de la WEP. , estableciendo las restricciones más estrictas sobre el principio hasta el momento.

El trabajo del equipo allana el camino para pruebas aún más precisas de WEP con experimentos satelitales. Su análisis incluye formas de mejorar la configuración experimental, como reducir las grietas en el revestimiento de los satélites que afectaron las mediciones de aceleración y reemplazar los cables en la configuración con dispositivos sin contacto. Un experimento satelital que implemente estas actualizaciones debería poder medir posibles violaciones de WEP al nivel de una parte en 10 ¹⁷ , dicen los investigadores. Pero los resultados de MICROSCOPE probablemente seguirán siendo las restricciones más precisas en WEP por un tiempo.

"Durante al menos una década o tal vez dos, no vemos ninguna mejora con un experimento de satélite espacial", dice Rodrigues. + Explora más

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