En Búsqueda de la Quinta Interacción Fundamental

^{Crédito de la imagen: ISTOCK}

^{Por: Amal Pushp, Físico Afiliado de Resonance Science Foundation}

La mayoría de los fenómenos que ocurren en la naturaleza podrían explicarse basándose sólo en cuatro fuerzas fundamentales. En orden creciente de intensidad, estas fuerzas son la fuerza gravitatoria, la fuerza nuclear débil, la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear fuerte. Aunque estas interacciones fundamentales explican la mayor parte de los fenómenos físicos de nuestro universo, hay algunos que no pueden explicarse a partir de estas fuerzas conocidas, lo que lleva a los físicos a preguntarse si hay otras fuerzas en juego.

Algunas de las principales razones que han impulsado últimamente la búsqueda de la quinta fuerza fundamental son la masa oscura y el agente causante de la expansión acelerada del universo, la energía oscura. Se ha especulado con la quintaesencia, una forma de energía oscura, como candidata a quinta fuerza [1, 2]. Otra sonda de la quinta fuerza que se hizo famosa en los años 80 fue el resultado de un reanálisis del experimento de Eötvös [3]. Como resultado, investigadores de todo el mundo lo han explorado como un modelo plausible [4].

Han surgido otros modelos teóricos que proponen candidatos para la quinta fuerza. Estos modelos suelen inspirarse en ideas que van más allá del modelo estándar de la física de partículas. Algunas teorías, como el modelo de Georgi-Glashow, sugieren la existencia de partículas llamadas bosones X que median en esta quinta fuerza. Estas partículas hipotéticas podrían interactuar de forma diferente a las partículas responsables de las otras fuerzas fundamentales, lo que daría lugar a firmas únicas en los experimentos de colisión de partículas y en las observaciones cosmológicas.

A pesar de las numerosas propuestas, han faltado pruebas sobre la naturaleza de la quinta fuerza y sus interacciones, aunque el listón ya está muy alto. Resultados empíricos recientes en el Fermilab de Chicago han despertado de nuevo el interés de la comunidad de físicos, lo que podría conducir a la realización de la quinta fuerza fundamental. Los científicos del Fermilab, en una sonda denominada experimento muon g-2, han descubierto que los muones se comportan de un modo que no puede explicarse en el marco del modelo estándar de la física de partículas [5, 6]. Se ha detectado que su movimiento dinámico es más rápido que el predicho por el modelo estándar, lo que ha llevado a los expertos a creer en la intervención de una nueva fuerza que podría estar causando esto.

^{Comparación de los resultados empíricos con la predicción del modelo estándar. Fuente: Ryan Postel, Fermilab/Muon g-2 collaboration}

El resultado actual respalda esencialmente los resultados del 2021 cuando se revelaron características sorprendentes sobre el momento magnético de los muones que también aportaban pruebas concluyentes de nuevas partículas y/o fuerzas que actualmente no existen en el modelo estándar. Individualmente, cada muón actúa como una barra magnética en miniatura cuando se somete a un campo magnético, fenómeno que se conoce como momento magnético. Además, los muones poseen una cualidad inherente conocida como espín. La interacción entre el espín y el momento magnético de un muón se identifica como el factor g. Se prevé que el factor g tanto para el electrón como para el muón sea dos. Por lo tanto, resulta crucial determinar si la desviación de esta expectativa, denotada como g-2, se registra en cero cuando se mide. La razón por la que se resta 2 del valor original del factor g es comprender la contribución de la espuma cuántica, el concepto según el cual el espacio está lleno de partículas y no está realmente vacío.

Pasando a la parte física de cómo el resultado abre la posibilidad de una nueva fuerza, consideremos el estudio experimental realizado en el Fermilab. Los muones, que tienen una masa 200 veces superior a la del electrón, interactúan con un campo magnético de 1,45 Tesla. Como resultado, los muones vibran de forma análoga a una peonza y la velocidad de esta vibración es proporcional a la intensidad del campo. La instalación experimental produce innumerables muones que se almacenan en un imán circular llamado anillo de almacenamiento que tiene un diámetro de 14 metros. Este anillo contiene detectores en su interior que cuentan los electrones formados debido a la desintegración de los muones. Un dato interesante es que el recuento de electrones está correlacionado con la velocidad de vibración de los muones, por lo que cuantos más electrones se detecten, mayor será la precisión de la medición. El físico Paul Dirac predijo que el valor del factor g del muón es igual a 2, sin embargo, según consideraciones de mecánica cuántica, existe una contribución no trivial al factor g debida a partículas virtuales. El objetivo de la sonda g-2 del muón es estudiar la diferencia entre el factor g original y el valor predicho, que es 2. Ahora bien, en caso de que el modelo estándar carezca de fuerzas/partículas novedosas, correspondería a una situación en la que el índice sería superior o inferior al número predicho, pero por un pequeño margen.

Otros grupos de investigación también se han unido a esta caza, en particular el equipo del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN. Uno de los miembros del equipo es el físico Mitesh Patel, del Imperial College de Londres. Según él, "los resultados que discrepan del modelo estándar son muy cruciales. Medir comportamientos que no concuerdan con las predicciones del modelo estándar es el santo grial de la física de partículas. Sería el pistoletazo de salida para una revolución en nuestra comprensión, porque el modelo ha resistido todas las pruebas experimentales durante más de 50 años".

La discrepancia actual entre la predicción teórica y el resultado empírico podría significar que existen nuevas partículas por descubrir en el universo y que estas partículas mediarían una nueva fuerza de la naturaleza. El descubrimiento de una quinta fuerza sería revolucionario en muchos sentidos. Abriría toda una nueva dimensión de la física que los investigadores podrían explorar, tanto en la teoría como en la práctica.

RSF en Perspectiva:

El modelo estándar de la física de partículas ha sido una teoría de éxito y ha contribuido notablemente a nuestros conocimientos sobre el mundo físico. Sin embargo, la investigación ha demostrado que esta teoría es limitada, si no errónea. Los físicos, en su búsqueda de lo que hay más allá del modelo estándar, han elaborado varias teorías y modelos nuevos, como el MSSM y el nMSSM, que se basan esencialmente en la idea de supersimetría. Pero sabemos que incluso la supersimetría es una idea fallida hasta el momento, ya que no ha dado ningún resultado probado empíricamente. Debido a la falta de pruebas empíricas concluyentes, varios grupos de todo el mundo están tratando de idear marcos novedosos que puedan hacer justicia a esta búsqueda.

El físico Nassim Haramein ha propuesto una teoría basada en los primeros principios denominada modelo holográfico generalizado que ha logrado obtener resultados mejores que el modelo estándar. Por ejemplo, el modelo proporcionó una estimación del radio de carga del protón, cuyo valor en el modelo estándar discrepaba en un 4% [7]. El modelo también ha contribuido en gran medida a nuestra comprensión de las partículas subatómicas, los agujeros negros y la catástrofe del vacío, por nombrar algunos [8, 9, 10].

Las últimas mediciones del Fermilab, que han dado como resultado el valor más preciso del momento magnético del muón, son cruciales para el desarrollo de la física teórica. Dado que este resultado deja al descubierto las lagunas del modelo actual, sería interesante ver cómo lo explican marcos novedosos como el de Haramein. El nuevo resultado podría ahora compararse y también derivarse de los primeros principios. Es de esperar que todo esto se incorpore a su próximo artículo titulado “Scale Invariant Unification of Forces, Fields & Particles in a Quantum Vacuum Plasma”.

Referencias

[1] Wetterich, C. "Quintessence – a fifth force from variation of the fundamental scale". Heidelberg University.

[2] Cicoli, Michele; Pedro, Francisco G.; Tasinato, Gianmassimo. "Natural quintessence in string theory". Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (2012).  DOI: 10.1088/1475-7516/2012/07/044

[3] Fischbach, Ephraim; Sudarsky, Daniel; Szafer, Aaron; Talmadge, Carrick; Aronson, S.H. "Reanalysis of the Eötvös experiment". Physical Review Letters (1986). DOI: 10.1103/PhysRevLett.56.3

[4] Jha, R., Sinha, K.P. “A possible model for fifth force”. Pramana - J. Phys (1988). DOI: 10.1007/BF02846963

[5] B. Abi et al. (Muon g-2 Collaboration), “Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm”. Physical Review Letters (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.141801

[6] D P Aguillard et al, “Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.20 ppm” (2023). https://muon-g-2.fnal.gov/result2023.pdf

[7] Haramein, N. Quantum Gravity and the Holographic Mass, Physical Review & Research International, ISSN: 2231-1815, Page 270-292 (2012).

[8] Haramein, N. The Schwarzschild Proton, AIP Conference Proceedings, CP 1303, ISBN 978-0-7354-0858-6, pp. 95-100 (2010).

[9] Val baker, A.K.F, Haramein, N. and Alirol, O. The Electron and the Holographic Mass Solution, Physics Essays, Vol 32, Pages 255-262 (2019).

[10] Haramein, N & Val Baker, A. K. F. Resolving the Vacuum Catastrophe: A Generalized Holographic Approach, Journal of High Energy Physics, Gravitation and Cosmology, Vol.05 No.02, Article ID:91083, 13 pages (2019).