03 septiembre 2016

Una quinta Fuerza. ¿Hecho o Ficción?

La ciencia y la Internet tienen una relación difícil:
La ciencia tiende a moverse hacia adelante a través de una cuidadosa y tediosa evaluación de datos y teorías, y el proceso puede tomar años en completarse.
En contraste, la comunidad de Internet en general, tiene la capacidad de atención de Dory, el pez distraído de "Buscando a Nemo" (y ahora "Encontrando a Dory") - un meme aquí, una imagen de celebridad allí..., oh, mira... un video divertido del gato.

Así, las personas que están interesadas en la ciencia seria deben ser extremadamente cuidadosos cuando leen una historia en línea que pretende ser un descubrimiento científico de cambio de paradigma. Un ejemplo reciente es uno que sugiere que una nueva fuerza de la naturaleza podría haber sido descubierta.

Si es verdad, esto quiere decir que tenemos que reescribir los libros de texto.

Como físico, me gustaría arrojar una luz científica disciplinada en la afirmación.



Una quinta fuerza

Así que, ¿qué es lo que se ha afirmado?

En un artículo (Observation of Anomalous Internal Pair Creation in 8Be - A Possible Signature of a Light, Neutral Boson) presentada el 7 de abril de 2015, en el repositorio arXiv de artículos de física, un grupo de investigadores húngaros informaron sobre un estudio en el que ellos se enfocaron en un intenso haz de protones (partículas que se encuentran en el centro de átomos) en finos objetivos de litio.

Las colisiones creadas excitaron núcleos de berilio-8, que decayó en ordinario berilio-8 y pares de partículas de electrones-positrones. (El positrón es la equivalente antimateria del electrón.) 



El Modelo Estándar - Más allá del Átomo

El modelo estándar es la colección de teorías que describen las partículas de materia y las interacciones entre la energía y la materia en el experimento más pequeño




Tres categorías de partículas del Modelo Estándar. La materia, que compone sólo un 4 por ciento del universo, está compuesta de quarks y leptones. Los fundamentales bosones proporcionan tres fuerzas: el electromagnetismo, la fuerza fuerza nuclear y la débil fuerza nuclear.

Los bosones de Higgs, descubiertos en 2012, proporcionan una explicación de cómo las otras partículas obtienen la masa.

Modelo Incompleto

Actualmente, el Modelo Estándar es incompleto y no explica muchas características importantes del universo conocido, tales como:

La gravedad
La materia oscura (27 por ciento del universo).
La energía oscura (65 por ciento del universo)




Nuevo Descubrimiento: Hadrones Exóticos

Los protones y neutrones son paquetes de hadrones exóticos y no están predichos por el Modelo Estándar. Los hadrones exóticos pueden estar compuestos por diferentes números de quarks. Eltetraquark está compuesto de charm, anti charm, quarks de debajo de quarks anti-abajo
El modelo estándar es el conjunto de teorías
Que describen las partículas más pequeñas de la materia observados experimentalmente
Y las interacciones entre energía y materia.
Crédito: Karl Tate
LiveScience Infografía del artista


Ellos afirmaron que sus datos no pueden ser explicados por fenómenos físicos conocidos en el Modelo Estándar, el modelo reinante gobernando la física de partículas.

Pero, lo que ellos pretendían, era poder explicar los datos si existía una nueva partícula con una masa de aproximadamente 17 millones de voltios de electrones, que es 32,7 veces más pesado que un electrón y apenas por debajo de 2 por ciento de la masa de un protón. Las partículas que emergen en este rango de energía, el cual es relativamente bajo para los estándares modernos, han sido bien estudiados.

Por ello, sería muy sorprendente que una nueva partícula fuera descubierta en este régimen energético.

Sin embargo, la medición sobrevivió a la revisión por pares y fue publicado el 26 de enero de 2016, en la revista Physical Review Letters, que es una de las revistas de física de mayor prestigio en el mundo.

En esta publicación, los investigadores, y esta investigación, aclararon un obstáculo impresionante. Su medición recibió poca atención hasta que un grupo de físicos teóricos de la Universidad de California, Irvine (UCI), dirigieron su atención a ella.

Como lo hacen comúnmente los teóricos comúnmente lo hacen con una controvertida medición física, el equipo lo comparó con el cuerpo de trabajo que ha sido ensamblado en el último siglo más o menos, para ver si los nuevos datos son compatibles o incompatibles con el cuerpo de conocimiento existente.

En este caso, vieron una docena de estudios publicados.

Lo que encontraron es que aunque la medida no entraba en conflicto con los estudios anteriores, parecía ser algo nunca antes observado - y algo que no puede ser explicado por el modelo estándar.




Nuevo marco teórico

Para dar sentido a la medición húngara entonces, este grupo de teóricos de la UCI inventó una nueva teoría.

La teoría inventada por el grupo en Irvine es realmente muy exótica. Comienza con la premisa muy razonable que la posible nueva partícula es algo que no está descrita por la teoría existente.

Esto tiene sentido porque la posible nueva partícula es muy baja en masa y habría sido descubierta antes si fuera regida por la física conocida. Si esto fuera una nueva partícula gobernada por una nueva física, tal vez una nueva fuerza está involucrada.

Ya que tradicionalmente los físicos hablan de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas,
  • gravedad
  • electromagnetismo
  • la fuerza nuclear fuerte
  • la fuerza nuclear débil,
... esta hipotética nueva fuerza ha sido llamada "la quinta fuerza."

Las teorías y descubrimientos de una quinta fuerza tienen una historia accidentada, que se remonta a décadas, con medidas e ideas que surgen y desaparecen con nuevos datos.

Por otro lado, hay misterios no explicados por la física ordinaria como, por ejemplo, la materia oscura.

Mientras que la materia oscura históricamente se ha modelado como una sola forma de una partícula estable y masiva que experimenta la gravedad y ninguna de las otras fuerzas conocidas, no hay ninguna razón por la que la materia oscura no pudiera experimentar fuerzas que la materia ordinaria no experimenta.

Después de todo, la materia ordinaria experimenta fuerzas que la materia oscura no experimenta, por lo que la hipótesis no es tan tonta.


No hay ninguna razón por la cual la materia oscura
No podría experimentar fuerzas que la materia ordinaria no experimenta.
Aquí, en el cúmulo de galaxias Abell 3827,
La materia oscura se observó interactuando con ella misma durante una colisión de galaxias.
Crédito: ESO



Hay muchas ideas sobre las fuerzas que afectan sólo a la materia oscura y la expresión de esta idea básica se denomina "compleja materia oscura ": 

Compleja Materia Oscura


Una idea común es que hay un fotón oscuro que interactúa con una carga oscura acarreada solamente por la materia oscura.

Esta partícula es un análogo de la materia oscura del fotón de la materia ordinaria que interactúa con carga eléctrica familiar, con una excepción:
Algunas teorías de la compleja materia oscura imbuyen fotones oscuros con masa, en marcado contraste con los fotones ordinarios.

Si existen fotones oscuros, éstos pueden acoplarse con materia ordinaria (y fotones ordinarios) y descomponerse en pares electrón-positrón, que es lo que el grupo de investigación húngaro estaba investigando.

Debido a que los fotones oscuros no interactúan con carga eléctrica ordinaria, este acoplamiento sólo puede ocurrir debido a los caprichos de la mecánica cuántica. Pero si los científicos empezaron a ver un aumento en pares electrón-positrón, eso podría significar que estaban observando un fotón oscuro.

El grupo en Irvine encontró un modelo (Evidence for a Protophobic Fifth Force from 8Be Nuclear Transitions) que incluía una partícula "protofóbicas" que no fue descartada por las mediciones anteriores y que explicaría el resultado húngaro.

Las partículas que son "protofóbicas", que significa literalmente "miedo a los protones," rara vez o nunca interactúan con los protones, pero pueden interactuar con los neutrones (neutrofílicas).

La partícula propuesta por las experiencias del grupo en Irvine experimenta una quinta y desconocida fuerza, que está en el rango de 12 femtometros, o alrededor de 12 veces más grande que un protón. La partícula es protofóbica y neutrofílica.

La partícula propuesta tiene una masa de 17 millones de electrones-voltios y pueden descomponerse en pares electrón-positrón. Además de explicar la medición húngara, una partícula de este tipo ayudaría a explicar algunas discrepancias observadas por otros experimentos.

Esta última consecuencia, añade un poco de peso a la idea.

¿Una fuerza de cambio de paradigma?

Así que este es el estado.

¿Qué es probable que sea cierto? Obviamente, los datos son el rey. Otros experimentos necesitarán confirmar o refutar la medición. Nada más importa.

Pero eso va a tomar un año o así, y tener una idea antes de esa fecha podría ser agradable. La mejor manera de estimar la probabilidad de si el hallazgo es real es mirar a la reputación de los diversos investigadores involucrados. Esto es claramente una forma chapucera de hacer ciencia, pero ayudará a la sombra de sus expectativas.

Así que vamos a empezar con el grupo en Irvine.

Muchos de ellos (los expertos, por lo general) son miembros bien considerados y establecidos del campo, con sólidos documentos en su pasado. El grupo incluye un espectro de edades, con los miembros senior y junior.

En aras de la divulgación completa, sé que algunos de ellos personalmente y, de hecho, dos de ellos han leído las partes teóricas de capítulos de libros que yo he escrito para el público para garantizar que no he dicho nada estúpido. (Por cierto, no encontraron ninguna metida de pata, sino que sin duda ayudaron a aclarar algunos puntos.)

Eso sin duda demuestra mi gran respeto por los miembros del grupo en Irvine, pero esto posiblemente sesga mi opinión. A mi juicio, es casi seguro que hicieron un trabajo minucioso y profesional de la comparación de su nuevo modelo a los datos existentes.

Han encontrado una pequeña e inexplorada región de posibles teorías que pudieran existir. 

Por otro lado, la teoría es bastante especulativa y altamente improbable. Esto no es una acusación... todas las teorías propuestas podrían ser etiquetadas de esta manera. Después de todo, el modelo estándar, que rige la física de partículas, tiene casi medio siglo de antigüedad y ha sido explorado a fondo.

Además, todas las nuevas ideas teóricas son especulativas e improbables, y casi todas ellas están equivocadas. Esto también no es una acusación. Hay muchas maneras de añadir posibles modificaciones a las teorías existentes para tener en cuenta los nuevos fenómenos. No todas pueden tener razón.

A veces ninguna de las ideas propuestas son correctas.

Sin embargo, podemos concluir de la reputación de los miembros del grupo que han generado una nueva idea y la han comparado con todos los datos existentes sobre esta cuestión. El hecho de que publicaron su modelo significa que sobrevivió a sus pruebas y por lo tanto sigue siendo una posibilidad creíble, aunque improbable.

¿Qué pasa con el grupo húngaro? Conozco a uno de ellos personalmente, pero el artículo fue publicado en Physical Review Letters - una marca de tiza en la columna de la victoria.

Sin embargo, el grupo también ha publicado dos trabajos anteriores en los que se observaron anomalías comparables, incluyendo una posible partícula (Anomalous Internal Pair Creation in 8Be as a Signature of the Decay of a New Particle) con una masa de 12 millones de electrón-voltios y una segunda publicación (Searching Pair for a Light Neutral Axial-Vector Boson in Isoscalar Nuclear Transitions), alegando el descubrimiento de una partícula con una masa de alrededor de 14 millones de electrón-voltios. 

Ambas afirmaciones fueron falsificadas posteriormente por otros experimentos. 

Además, el grupo húngaro nunca se ha revelado de manera satisfactoria en qué error fue hecho que dio lugar a estas afirmaciones erróneas.

Otra posible señal de alerta es que el grupo rara vez publica datos que no afirman anomalías. Esto es improbable. En mi propia carrera de investigación, la mayoría de las publicaciones fueron la confirmación de teorías existentes.

Las anomalías que persisten son muy, muy, raras.

Entonces, ¿cuál es la conclusión? ¿Deberíamos estar emocionados con este nuevo descubrimiento posible? Bueno... seguro... posibles descubrimientos son siempre emocionantes.

El Modelo Estándar ha resistido la prueba del tiempo durante medio siglo, pero hay misterios inexplicables y la comunidad científica está siempre buscando el descubrimiento que nos apunta en la dirección de una teoría nueva y mejorada.

Pero ¿cuáles son las probabilidades de que esta medida y la teoría conducirán al mundo científico a aceptar una nueva fuerza con un rango de 12 fm y con una partícula que huye de los protones?

Mi sensación es que este es un asomo. No soy tan optimista en cuanto a las posibilidades de este resultado.

Por supuesto, esta opinión es sólo eso... una opinión, aunque muy informada. Otros experimentos también estarán buscando fotones oscuros, ya que, incluso si la medida húngara no resiste el análisis, todavía hay un verdadero problema con la materia oscura. 

Muchos experimentos buscando fotones oscuros explorarán el mismo espacio de parámetros en los que los investigadores húngaros afirman haber encontrado una anomalía (por ejemplo, modos de desintegración de energía, masa).

En breve (menos de un año) sabremos si esta anomalía es un descubrimiento o simplemente un bache en los datos que emocionaron temporalmente a la comunidad, sólo para ser desechado al registrarse mejores datos. 

Y, no importa el resultado, bueno y una ciencia mejor será el resultado final.

fuetne/Bibioteca Pleyades

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