Publican indicios experimentales que indican que podría existir una quinta fuerza en Física.
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Según el Modelo Estándar hay sólo tres familias de partículas, dos de ellas inestables. La tercera es la que permite la formación de galaxias, estrellas o seres humanos. Todos los átomos están hechos de fermiones organizados, en concreto quarks y electrones. Pero estos fermiones (partículas de spin semientero) se relacionan entre sí a través de fuerzas que son mediadas por bosones (partículas de spin entero).
Además de gravedad se conocen otra otras tres fuerzas: el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte (que mantiene a los quarks juntos) y la fuerza nuclear débil (que controla las desintegraciones). Hasta ahora no se han encontrado pruebas de la existencia de otras fuerzas.
Desde hace décadas se ha propuesto en diversas ocasiones la existencia de una quinta fuerza. A veces desde el punto de vista teórico y otras desde el punto de vista experimental. Sin embargo, al final no se ha confirmado en ninguna de sus versiones. Por esta razón, cualquier afirmación basada en experimentos sobre la existencia de una quinta fuerza se toma con mucha cautela. De nuevo, afirmaciones extraordinarias necesitan de pruebas extraordinarias.
Recientemente un grupo de investigadores húngaros dirigidos por Attila Krasznahorkay (Instituto de Investigación Nuclear de la Academia Húngara de Ciencias) propuso que los datos experimentales que obtienen en un montaje sobre el decaimiento de berilio-8 es compatible con la existencia de una nueva fuerza. Esta nueva fuerza estaría mediada por un nuevo bosón que en su versión no virtual tendría una masa 34 veces la del electrón.
El resultado viene de la hipótesis de que la materia oscura que forma más del 75% de la masa de Universo estuviera hecha de materia exótica, en concreto de “fotones negros” por analogía de los fotones normales de la fuerza electromagnética.
Así que Krasznahorkay y sus colaboradores diseñaron un experimento para tratar de detectar estos fotones negros. Bombardearon un blanco de litio-7 con protones para formar el isótopo inestable berilio-8 y analizaron el decaimiento o desintegración de este último.
El berilio-8 se desintegra emitiendo un par electrón-positrón. Según el Modelo Estándar, el número de pares observados y el ángulo de separación tienen que caer dentro de unos valores concretos. Sin embargo, lo observado difiere de eso. Se da una acumulación a 140 grados y luego una caída del conteo para ángulos mayores que ese.
Han conseguido eliminar todas las fuentes de error que se les ha ocurrido que pudieran dar este resultado como un falso positivo en los últimos tres años y siguen obteniendo el mismo resultado. La probabilidad de que sea un falso positivo la estiman en una posibilidad entre 200.000 millones. El resultado supera la cinco sigmas de significación estadística.
Ese comportamiento se puede explicar con la existencia de una nueva partícula, un bosón de 17 MeV. Sin embargo, no sería un fotón oscuro, sino un bosón protófugo, pues parece acoplarse mal a quarks, protones o electrones, lo que explicaría que aún no haya sido observado. Actuaría como portador de una fuerza que operaría a corta distancia, concretamente hasta una distancia de sólo varias veces la longitud de un núcleo atómico, es decir varios fermis (1 fermi es 10-15 m).
En un principio pudiera parecer que tal partícula no existe porque si existiera se habría visto en colisionadores como el LHC. Sin embargo, un estudio de otro grupo distinto, esta vez norteamericano, apuntaba a que el resultado no es incompatible con experimentos previos
Más tarde, en una reunión de físicos en el National Accelerator Laboratory (Menlo Park, California) los asistentes se mostraban al principio escépticos, pero luego se mostraban excitados por la idea, principalmente porque se podría comprobar experimentalmente de una manera rápida y sencilla de diversas maneras.
El experimento DarkLight del Jefferson Laboratory está diseñado para buscar fotones oscuros de entre 10 y 100 MeV mediante el lanzamiento de electrones sobre un blanco de hidrógeno gaseoso. Entre otras zonas podrá explorar la región de los 17 MeV, así que podrá detectar, si existen, estos bosones propuestos por el grupo húngaro en menos de un año, aunque no se trate de fotones negros. En el peor de los casos el resultado podría restringir los límites del acoplamiento del fotón protófugo con la materia ordinaria.
También se podrían encontrar pruebas de su existencia en el LHCb al estudiar el decaimiento quark-antiquark al lanzar protones contra un blanco. En 2018 también se podría detectar en el experimento italiano en el Laboratorio Budker cerca de Roma, así como en la versión de este último que se instala en Novosibirsk (Siberia).
De todos modos, hay físicos que se muestran escépticos con las posibilidades de su detección experimental directa debido a las cualidades un tanto especiales de este bosón.
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Fuentes y referencias:
Artículo en PRL. [2]
Artículo del grupo húngaro. [3]
Artículo del grupo norteamericano. [4]
Foto: MTA-Atomki.