La quinta fuerza

Uno de los problemas de la física moderna es el hecho de que aquello que podemos “ver y tocar” en el Universo es apenas un 4 por ciento de lo que está ahí.
La búsqueda de una quinta fuerza, más allá de las cuatro conocidas, es una de las grandes vertientes de la investigación en física desde hace mucho tiempo.
La búsqueda de una quinta fuerza, más allá de las cuatro conocidas, es una de las grandes vertientes de la investigación en física desde hace mucho tiempo. (Especial)

Un misterio infinito la fuerza es. Mucho por aprender aún queda.

Yoda, Star Wars. Episodio V


Debe existir una sola fuerza en la naturaleza. Hoy pensamos que con el paso del tiempo esa fuerza se fue desdoblando en otras para dar la apariencia de cuatro distintas.

Las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza son: la fuerza de gravedad que todos experimentamos, la electromagnética —que también conocemos por la cantidad de aplicaciones que hemos encontrado en ella a través de los fenómenos eléctricos y magnéticos—, así como la fuerza débil y la fuerza fuerte que, por tener efecto en el mundo microscópico, son menos familiares.

La interacción débil es estudiada a detalle en los grandes aceleradores del mundo. Es la responsable de que el Sol produzca luz y calor. Los elementos inestables que decaen emitiendo radiación lo hacen como consecuencia de la interacción débil actuando a nivel microscópico. La interacción fuerte es también estudiada en aceleradores como el Gran Colisionador de Hadrones en Ginebra, Suiza. Esta fuerza une a los quarks para formar protones y neutrones que a su vez constituyen los núcleos atómicos.

La búsqueda de una quinta fuerza, más allá de las cuatro conocidas, es una de las grandes vertientes de la investigación en física desde hace mucho tiempo.

Las fuerzas, como las entendemos actualmente, son mediadas por campos que se manifiestan como partículas. La fuerza electromagnética, por ejemplo, tiene al fotón como portador. Este es la manifestación corpuscular de la luz, y la materia con carga eléctrica los emite para llevar la fuerza a su contraparte de materia cargada eléctricamente. El fotón es, pues, el mensajero que conduce la interacción electromagnética y es el que determina que las cargas de signos opuestos se atraigan y las de mismo signo se separen.

La existencia de una quinta fuerza en la naturaleza sería bienvenida por muchos que intentan explicar fenómenos raros. Uno de los problemas de la física moderna es el hecho de que aquello que podemos “ver y tocar” en el Universo es apenas un 4% de lo que está ahí. El resto es algo extraño que hemos llamado materia y energía oscura.

¿Cómo nos enteramos de la presencia de una sustancia tan misteriosa e invisible?

A pesar de ser tan elusiva a nuestros detectores, la materia oscura es sensible a la gravedad. Ese incidente circunstancial tiene efectos visibles en la rotación de las galaxias. El movimiento de las estrellas delata la presencia de cantidades significativas de esta  enigmática sustancia.

Aparte de la gravedad, las otras fuerzas no parecen tener noticia del indescifrable componente del Universo. Siendo tan abundante, no es impensable que la materia oscura forme grumos y estructuras bajo la influencia de la gravedad y quizá, ¿por qué no?, bajo los efectos de interacciones desconocidas.

Si la materia y la energía del universo permanecen ocultas a nuestros aparatos y métodos de medición ¿por qué no habrían de hacerlo otras fuerzas?

Si en tan solo 4% del contenido total del Universo actúan cuatro fuerzas, ¿por qué no pensar que en el 96% restante puedan existir otras interacciones?

La materia y las interacciones que conocemos han dado origen a ciertas estructuras pero la materia, la energía y fuerzas desconocidas en ese mundo oscuro podrían estar generando arreglos y formas que no vemos.

La existencia de una partícula mediadora de una quinta fuerza contribuiría al inventario de materia en el universo. En general, observar partículas adicionales que no estaban en el registro ayudaría a entender mejor la naturaleza y organización de todo lo que nos rodea.

La existencia de una quinta fuerza ayudaría también a explicar algunas desviaciones de los valores medidos cuando se comparan con el Modelo Estándar que es el marco teórico que tenemos para explicar el mundo microscópico. Este modelo del mundo microscópico ha sido muy exitoso como descripción de la materia y sus cuatro interacciones pero los efectos de una quinta fuerza, aunque marginales, podrían explicar sutiles desviaciones en algunas mediciones.

El año pasado, un grupo de científicos de la ciudad de Debrecen en Hungría encontró lo que  podría ser una señal de la quinta fuerza. El resultado del experimento había pasado desapercibido hasta ahora, cuando un grupo de físicos teóricos de Estados Unidos analizó el trabajo para sacarlo nuevamente a la luz.

El grupo de físicos húngaros bombardea protones contra una hoja delgada de litio. El litio es un elemento ligero que al capturar un protón produce átomos inestables de berilio. Una vez ahí, los átomos de berilio emiten luz y ésta a su vez produce pares de electrón y positrón.

El positrón es la antipartícula del electrón y uno podría referirse a él como antielectrón si no fuera porque, habiendo sido la primera de las antipartículas observadas, recibió un nombre especial: positrón. Cuando el antielectrón o positrón se encuentra con un electrón se aniquila produciendo un destello. El proceso inverso también es posible, es decir, la luz desaparece para dar lugar a un positrón y un electrón que vuelan en direcciones opuestas. Esto es lo que ocurre con la luz que se desprende del berilio producido en el laboratorio de manera artificial.

El grupo de científicos húngaros reporta que, de vez en cuando, el berilio se estabiliza emitiendo ya no luz, sino una nueva partícula, muy ligera, que se desintegra generando electrones y positrones de la misma manera a como lo hacen los fotones.

Analizando las reacciones, este grupo de científicos ha podido determinar la masa del objeto que resulta ser muy pequeña. La masa del nuevo “bosón” sería  de 17 MeV que en términos más coloquiales es 34 veces menor que la del electrón. Es tan ligera que de confirmarse sería la más ligera de cuantas existen en el catálogo de las partículas elementales.

Lo interesante de este nuevo corpúsculo es que podría ser el portador de una nueva interacción que actúa a distancias microscópicas. No se trataría pues de una fracción de materia sino de un campo de fuerza que se manifiesta como una partícula mensajera.

Los físicos teóricos de la universidad de California en los Estados Unidos encuentran mucho sentido en la medición y consideran que ésta produciría una fuerza con alcance medio de 12 fermis. Esta es una distancia muy pequeña si consideramos que un protón se extiende poco más de 1 fermi. Es decir que más allá de una distancia equivalente a una decena de protones la fuerza es imperceptible. Por si esto fuera poco, la hipotética quinta fuerza parece ser tan débil como la gravedad.

Si la observación es correcta pronto podrá ser verificada en otros experimentos. El laboratorio Jefferson de Estados Unidos aloja al experimento DarkLight que busca partículas entre los 10 y los 100 MeV de masa. Los físicos de este experimento han decidido ya enfocar sus esfuerzos en la región de los 17 MeV donde se podría encontrar al nuevo bosón.

También el Gran Colisionador de Hadrones, que es el acelerador más grande jamás construido, puede echar una mirada a sus datos. El acelerador proporciona colisiones de protones a cuatro experimentos y uno de ellos, llamado LHCb, podría tener algo que decir después de buscar en sus datos a la hipotética partícula.

Si la observación del grupo húngaro es correcta deberá ser verificada en otros experimentos. Cuando esto ocurra, si es que ocurre, estaremos frente a uno de los más interesantes descubrimientos en lo que va del siglo.