Quinta fuerza

En física, hay cuatro interacciones fundamentales observadas (también conocidas como fuerzas fundamentales) que forman la base de todas las interacciones conocidas en la naturaleza: fuerzas gravitacionales, electromagnéticas, nucleares fuertes y nucleares débiles. Algunas teorías especulativas han propuesto una quinta fuerza para explicar varias observaciones anómalas que no se ajustan a las teorías existentes. Las características de esta quinta fuerza dependen de la hipótesis que se proponga. Muchos postulan una fuerza aproximadamente igual a la fuerza de la gravedad (es decir, es mucho más débil que el electromagnetismo o las fuerzas nucleares) con un rango desde menos de un milímetro hasta escalas cosmológicas. Otra propuesta es una nueva fuerza débil mediada por los bosones W′ y Z′.

La búsqueda de una quinta fuerza se ha incrementado en las últimas décadas debido a dos descubrimientos en cosmología que no son explicados por las teorías actuales. Se ha descubierto que la mayor parte de la masa del universo está formada por una forma desconocida de materia llamada materia oscura. La mayoría de los físicos creen que la materia oscura consiste en partículas subatómicas nuevas y no descubiertas, pero algunos creen que podría estar relacionado con una fuerza fundamental desconocida. En segundo lugar, también se ha descubierto recientemente que la expansión del universo se está acelerando, lo que se ha atribuido a una forma de energía llamada energía oscura. Algunos físicos especulan que una forma de energía oscura llamada quintaesencia podría ser una quinta fuerza.

Enfoques experimentales

Una nueva fuerza fundamental podría ser difícil de probar. La gravedad, por ejemplo, es una fuerza tan débil que la interacción gravitacional entre dos objetos solo es significativa cuando al menos uno de ellos tiene una gran masa. Por lo tanto, se necesitan equipos muy sensibles para medir las interacciones gravitatorias entre objetos que son pequeños en comparación con la Tierra. Una fuerza fundamental nueva (o "quinta") podría ser igualmente débil y, por lo tanto, difícil de detectar. No obstante, a fines de la década de 1980, los investigadores informaron sobre una quinta fuerza que operaba a escalas municipales (es decir, con un alcance de unos 100 metros) (Fischbach et al.)quienes estaban volviendo a analizar los resultados de Loránd Eötvös de principios de siglo. Se creía que la fuerza estaba relacionada con la hipercarga. Durante varios años, otros experimentos no han logrado duplicar este resultado.

Hay al menos tres tipos de búsquedas que se pueden realizar, que dependen del tipo de fuerza que se esté considerando y de su alcance.

Principio de equivalencia

Una forma de buscar una quinta fuerza es con pruebas del principio de equivalencia fuerte, una de las pruebas más poderosas de la relatividad general, también conocida como la teoría de la gravedad de Einstein. Las teorías alternativas de la gravedad, como la teoría de Brans-Dicke, postulan una quinta fuerza  ,  posiblemente una con un alcance infinito. Esto se debe a que las interacciones gravitatorias, en teorías distintas de la relatividad general, tienen grados de libertad distintos de la "métrica", que dicta la curvatura del espacio, y diferentes tipos de grados de libertad producen efectos diferentes. Por ejemplo, un campo escalar no puede producir la flexión de los rayos de luz.

La quinta fuerza se manifestaría en un efecto sobre las órbitas del sistema solar, llamado efecto Nordtvedt. Esto se prueba con el experimento Lunar Laser Ranging e interferometría de línea de base muy larga.

Dimensiones adicionales

Otro tipo de quinta fuerza, que surge en la teoría de Kaluza-Klein, donde el universo tiene dimensiones adicionales, o en la supergravedad o la teoría de cuerdas, es la fuerza de Yukawa, que se transmite mediante un campo escalar de luz (es decir, un campo escalar con una longitud de onda Compton larga)., que determina el rango). Esto ha despertado mucho interés recientemente, ya que una teoría de las grandes dimensiones adicionales supersimétricas  (  dimensiones con un tamaño ligeramente inferior a un milímetro)  ha provocado un esfuerzo experimental para probar la gravedad en estas escalas muy pequeñas. Esto requiere experimentos extremadamente sensibles que busquen una desviación de la ley de gravedad del cuadrado inverso en un rango de distancias. Esencialmente, están buscando señales de que la interacción de Yukawa se está activando hasta cierto punto.

Investigadores australianos, al intentar medir la constante gravitacional en lo profundo de un pozo de mina, encontraron una discrepancia entre el valor predicho y el medido, siendo el valor medido un dos por ciento demasiado pequeño. Llegaron a la conclusión de que los resultados pueden explicarse por una quinta fuerza repulsiva con un rango de unos pocos centímetros a un kilómetro. Se han llevado a cabo experimentos similares a bordo de un submarino, el USS Dolphin (AGSS-555), mientras estaba profundamente sumergido. Otro experimento que midió la constante gravitacional en un pozo profundo en la capa de hielo de Groenlandia encontró discrepancias de un pequeño porcentaje, pero no fue posible eliminar una fuente geológica para la señal observada.

Manto de la tierra

Otro experimento utiliza el manto de la Tierra como un detector de partículas gigantes, centrándose en los geoelectrones.

Variables cefeidas

Jain et al. (2012) examinó los datos existentes sobre la tasa de pulsación de más de mil estrellas variables cefeidas en 25 galaxias. La teoría sugiere que la tasa de pulsación de cefeidas en galaxias protegidas de una quinta fuerza hipotética por cúmulos vecinos seguiría un patrón diferente al de las cefeidas que no están protegidas. No pudieron encontrar ninguna variación de la teoría de la gravedad de Einstein.

Otros enfoques

Algunos experimentos usaron un lago más una torre que es320 m de altura. Una revisión exhaustiva realizada por Ephraim Fischbach y Carrick Talmadge sugirió que no hay evidencia convincente de la quinta fuerza, aunque los científicos aún la buscan. El artículo de Fischbach-Talmadge fue escrito en 1992, y desde entonces han salido a la luz otras evidencias que pueden indicar una quinta fuerza.

Los experimentos anteriores buscan una quinta fuerza que sea, como la gravedad, independiente de la composición de un objeto, por lo que todos los objetos experimentan la fuerza en proporción a sus masas. Las fuerzas que dependen de la composición de un objeto pueden probarse con mucha sensibilidad mediante experimentos de equilibrio de torsión del tipo inventado por Loránd Eötvös. Tales fuerzas pueden depender, por ejemplo, de la proporción de protones a neutrones en un núcleo atómico, el espín nuclear o la cantidad relativa de diferentes tipos de energía de enlace en un núcleo (consulte la fórmula de masa semiempírica). Se han realizado búsquedas desde rangos muy cortos, a escalas municipales, a la escala de la Tierra, el Sol y la materia oscura en el centro de la galaxia.

Reclamaciones de nuevas partículas

En 2015, Attila Krasznahorkay de ATOMKI, el Instituto de Investigación Nuclear de la Academia Húngara de Ciencias en Debrecen, Hungría, y sus colegas postularon la existencia de un nuevo bosón ligero solo 34 veces más pesado que el electrón (17 MeV). En un esfuerzo por encontrar un fotón oscuro, el equipo húngaro disparó protones a objetivos delgados de litio-7, lo que creó núcleos inestables de berilio-8 que luego se descompusieron y expulsaron pares de electrones y positrones. Se observaron desintegraciones excesivas en un ángulo de apertura de 140° entre e y e, y una energía combinada de 17 MeV, lo que indicó que una pequeña fracción de berilio-8 arrojará el exceso de energía en forma de una nueva partícula.

El grupo ATOMKI afirmó haber encontrado varias otras partículas nuevas a principios de 2016, pero abandonó estas afirmaciones más tarde, sin una explicación de las señales espurias. El grupo también ha sido acusado de seleccionar resultados que respaldan nuevas partículas y descartar resultados nulos.

En noviembre de 2019, Krasznahorkay anunció que él y su equipo en ATOMKI habían observado con éxito las mismas anomalías en la descomposición de los átomos de helio estables que se habían observado en el berilio-8, lo que fortaleció el caso de la existencia de la partícula X17.

Feng et al. (2016) propusieron que un bosón X protofóbico (es decir, "que ignora los protones") con una masa de 16,7 MeV con acoplamientos suprimidos a los protones en relación con los neutrones y los electrones y el rango del femtómetro podría explicar los datos. La fuerza puede explicar la anomalía del muón g − 2 y proporcionar un candidato a materia oscura. Se están realizando varios experimentos de investigación para intentar validar o refutar estos resultados.

Gravedad modificada

También conocida como gravedad no local. Algunos físicos creen que la teoría de la gravedad de Einstein tendrá que modificarse, no a pequeña escala, sino a grandes distancias o, lo que es lo mismo, a pequeñas aceleraciones. Esto cambiaría la gravitación a una fuerza no local. Señalan que la materia oscura y la energía oscura no están explicadas por el modelo estándar de la física de partículas y sugieren que es necesaria alguna modificación de la gravedad, posiblemente derivada de la dinámica newtoniana modificada o del principio holográfico. Esto es fundamentalmente diferente de las ideas convencionales de una quinta fuerza, ya que se vuelve más fuerte en relación con la gravedad a distancias más largas. La mayoría de los físicos, sin embargo, piensan que la materia oscura y la energía oscura no son ad hoc., pero están respaldados por un gran número de observaciones complementarias y descritos por un modelo muy simple.

En abril de 2021, un grupo de Fermilab informó "una fuerte evidencia de la existencia de una partícula subatómica no descubierta o una nueva fuerza" que interactúa con los muones, cuando las mediciones del muón g-2 se desviaron de la predicción.