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 presente. Muchos postulan una fuerza aproximadamente 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 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 se debe a una forma desconocida de materia llamada materia oscura . La mayoría de los físicos creen que la materia oscura está formada por partículas subatómicas nuevas y no descubiertas, [1] pero algunos creen que podría estar relacionada 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. [2] [3] [4]
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 uno de ellos tiene una gran masa. Por lo tanto, se necesitan equipos muy sensibles para medir las interacciones gravitacionales entre objetos que son pequeños en comparación con la Tierra. Una nueva (o "quinta") fuerza fundamental podría ser igualmente débil y, por lo tanto, difícil de detectar. No obstante, a fines de la década de 1980, los investigadores (Fischbach et al. ) [5] informaron de una quinta fuerza, que operaba a escalas municipales (es decir, con un alcance de aproximadamente 100 metros), que 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. [6]
Hay al menos tres tipos de búsquedas que se pueden realizar, que dependen del tipo de fuerza que se esté considerando y su alcance.
Principio de equivalencia
Una forma de buscar una quinta fuerza es con pruebas del principio de equivalencia fuerte : esta es una de las pruebas más poderosas de la teoría de la gravedad de Einstein, la relatividad general . Las teorías alternativas de la gravedad, como la teoría de Brans-Dicke , tienen una quinta fuerza, posiblemente con un rango infinito. Esto se debe a que las interacciones gravitacionales, 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 curvatura 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 [7] e interferometría de línea de base muy larga .
Dimensiones extra
Otro tipo de quinta fuerza, que surge en la teoría de Kaluza-Klein , donde el universo tiene dimensiones adicionales , o en la supergravedad o 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 extra supersimétricas (dimensiones con un tamaño ligeramente inferior a un milímetro) ha impulsado 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 la gravedad del inverso del cuadrado en un rango de distancias. [8] Esencialmente, están buscando señales de que la interacción Yukawa se está produciendo en un cierto tiempo.
Investigadores australianos, al intentar medir la constante gravitacional en la profundidad de un pozo de mina, encontraron una discrepancia entre el valor predicho y medido, siendo el valor medido un dos por ciento demasiado pequeño. Concluyeron 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, 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. [9] [10]
Manto de la tierra
Otro experimento utiliza el manto de la Tierra como detector de partículas gigantes, centrándose en geoelectrones . [11]
Variables cefeidas
Jain y col. (2012) [12] 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 filtradas a partir de una quinta fuerza hipotética por cúmulos vecinos, seguiría un patrón diferente al de las cefeidas que no se filtran. No pudieron encontrar ninguna variación de la teoría de la gravedad de Einstein.
Otros enfoques
Algunos experimentos usaron un lago más una torre que es 320 m de altura. [13] Una revisión exhaustiva de Ephraim Fischbach y Carrick Talmadge sugirió que no hay evidencia convincente para la quinta fuerza, [14] aunque los científicos todavía la buscan. El artículo de Fischbach-Talmadge fue escrito en 1992 y, desde entonces, han salido a la luz otras pruebas que pueden indicar una quinta fuerza. [15]
Los experimentos anteriores buscan una quinta fuerza que es, 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 de un tipo inventado por Loránd Eötvös . Tales fuerzas pueden depender, por ejemplo, de la proporción de protones a neutrones en un núcleo atómico, espín nuclear, [16] o la cantidad relativa de diferentes tipos de energía de enlace en un núcleo (ver la fórmula de masa semi-empírica ). 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 en 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). [17] En un esfuerzo por encontrar un fotón oscuro , el equipo húngaro disparó protones a objetivos delgados de litio-7 , que crearon núcleos inestables de berilio-8 que luego decayeron y escupieron pares de electrones y positrones. Se observó un exceso de desintegración 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 había afirmado haber encontrado varias otras partículas nuevas a principios de 2016, pero abandonó estas afirmaciones más tarde, sin una explicación de la causa de las señales espúreas. El grupo también ha sido acusado de seleccionar resultados que apoyan nuevas partículas y descartar resultados nulos . [18] [19]
En noviembre de 2019, Krasznahorkay anunció que él y su equipo en ATOMKI habían observado con éxito las mismas anomalías en la desintegración de los átomos de helio estables que se habían observado en el berilio-8, lo que refuerza el caso de la existencia de la partícula X17 . [20]
Feng y col . (2016) [21] propuso que un bosón X protofóbico (es decir, que "ignora los protones") con una masa de 16,7 MeV con acoplamientos suprimidos a protones en relación con los neutrones y electrones y el rango del femtómetro podría explicar los datos. [22] 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. [17] [21]
Gravedad modificada
También conocido como gravedad no local . Algunos físicos piensan que la teoría de la gravedad de Einstein tendrá que modificarse, no a escalas pequeñas, sino a grandes distancias, o lo que es lo mismo, a pequeñas aceleraciones. [23] [24] [25] Esto cambiaría la gravitación a una fuerza no local. [ cita requerida ] Señalan que la materia oscura y la energía oscura no son explicadas por el Modelo Estándar de 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, [ ¿quién? ] Sin embargo, creo que la materia oscura y la energía oscura no son ad hoc , sino que están respaldadas por un gran número de observaciones complementarias y descritas por un modelo muy simple.
En abril de 2021, un grupo de Fermilab informó "fuerte evidencia de la existencia de una partícula subatómica no descubierta o una nueva fuerza" que interactúa con los muones . [26]
Ver también
- Teoría de calibre afín
- Sistema complejo : sistema compuesto por muchos componentes que interactúan
- Energía oscura : propiedad desconocida en cosmología que hace que la expansión del universo se acelere.
- Expansión del universo , también conocida como expansión métrica del espacio: aumento de la distancia entre partes del universo a lo largo del tiempo.
- Interacción fundamental : cualquiera de las interacciones o fuerzas físicas: gravitacional, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil.
- Graviphoton
- Dinámica newtoniana modificada : hipótesis que propone una modificación de las leyes de Newton
- Física más allá del modelo estándar : teorías que intentan explicar las deficiencias del modelo estándar, la teoría cuántica de campos y la relatividad general.
- Quintaesencia (física) - Fuerza fundamental hipotética
- Autoorganización : proceso de creación de orden mediante interacciones locales
Referencias
- ^ Chown, Marcus (17 de agosto de 2011). "Materia realmente oscura: ¿el universo está hecho de agujeros?" . Nuevo científico .
Casi todo el mundo piensa que esta llamada materia oscura está formada por partículas subatómicas no descubiertas hasta ahora.
- ^ Wetterich, C. "Quintaesencia - una quinta fuerza de la variación de la escala fundamental" (PDF) . Universidad de Heidelberg.
- ^ "[sin título citado]" (PDF) . CERN .
- ^ Cicoli, Michele; Pedro, Francisco G .; Tasinato, Gianmassimo (2012). "Quintaesencia natural en la teoría de cuerdas". Revista de cosmología y física de astropartículas . 2012 (7): 044. arXiv : 1203.6655 . Código bibliográfico : 2012JCAP ... 07..044C . doi : 10.1088 / 1475-7516 / 2012/07/044 . S2CID 118461474 .
- ^ Fischbach, Ephraim; Sudarsky, Daniel; Szafer, Aaron; Talmadge, Carrick; Aronson, SH (6 de enero de 1986). "Reanálisis del experimento de Eötvös". Cartas de revisión física . 56 (1): 3–6. Código Bibliográfico : 1986PhRvL..56 .... 3F . doi : 10.1103 / PhysRevLett.56.3 . PMID 10032514 .
- ^ "Grupo Eöt-Wash" . Universidad de Washington. - el grupo líder en busca de una quinta fuerza.
- ^ "Alcance láser lunar" . Archivado desde el original el 28 de noviembre de 2016 . Consultado el 7 de mayo de 2005 .
- ^ "Intercambio de energía por satélite (VER)" . Archivado desde el original el 7 de mayo de 2005 . Consultado el 7 de mayo de 2005 ., que está configurado para probar una quinta fuerza en el espacio, donde es posible lograr una mayor sensibilidad.
- ^ Ander, Mark E .; et al. (27 de febrero de 1989). "Prueba de la ley del cuadrado inverso de Newton en la capa de hielo de Groenlandia". Cartas de revisión física . 62 (9): 985–988. Código Bibliográfico : 1989PhRvL..62..985A . doi : 10.1103 / PhysRevLett.62.985 . PMID 10040395 .
- ^ Zumberge, Mark A .; et al. (1990). "El experimento de la constante gravitacional de Groenlandia" . Journal of Geophysical Research (manuscrito enviado). 95 (B10): 15483. Código Bibliográfico : 1990JGR .... 9515483Z . doi : 10.1029 / JB095iB10p15483 .
- ^ Aron, Jacob (2013). "El manto de la Tierra ayuda a buscar la quinta fuerza de la naturaleza" . Nuevo científico .
- ^ Jain, Bhuvnesh; Vikram, Vinu; Sakstein, Jeremy (25 de noviembre de 2013). "Pruebas astrofísicas de gravedad modificada: restricciones de los indicadores de distancia en el universo cercano". El diario astrofísico . 779 (1): 39. arXiv : 1204.6044 . Código Bibliográfico : 2013ApJ ... 779 ... 39J . doi : 10.1088 / 0004-637X / 779/1/39 . S2CID 119260435 . 39.
- ^ Liu, Yi-Cheng; Yang, Xin-She; Zhu, Heng-Bin; Zhou, Wen-Hu; Wang, Qian-Shen; Zhao, Zhi-Qiang; Jiang, Wei-Wei; Wu, Chuan-Zhen (septiembre de 1992). "Prueba de gravitación no newtoniana en una torre de 320 m". Physics Letters A . 169 (3): 131-133. Código Bibliográfico : 1992PhLA..169..131L . doi : 10.1016 / 0375-9601 (92) 90582-7 .
- ^ Fischbach, Ephraim; Talmadge, Carrick (19 de marzo de 1992). "Seis años de la quinta fuerza". Naturaleza . 356 (6366): 207–215. Código Bibliográfico : 1992Natur.356..207F . doi : 10.1038 / 356207a0 . S2CID 21255315 .
- ^ Jenkins, Jere H .; Fischbach, Ephraim; Buncher, John B .; Gruenwald, John T .; Krause, Dennis E .; Mattes, Joshua J. (agosto de 2009). "Evidencia de correlaciones entre las tasas de desintegración nuclear y la distancia Tierra-Sol". Física de astropartículas . 32 (1): 42–46. arXiv : 0808.3283 . Código Bibliográfico : 2009APh .... 32 ... 42J . doi : 10.1016 / j.astropartphys.2009.05.004 . S2CID 119113836 .
- ^ Hall, AM; Armbruster, H .; Fischbach, E .; Talmadge, C. (1991). "¿El experimento de Eötvös es sensible al giro?". En Hwang, W.-Y. Pauchy; et al. (eds.). Progreso en Física de Altas Energías . Nueva York: Elsevier. págs. 325–339.
- ^ a b Cartlidge, Edwin (2016). "¿Ha encontrado un laboratorio de física húngaro una quinta fuerza de la naturaleza?" . Naturaleza . doi : 10.1038 / nature.2016.19957 . S2CID 124347962 .
- ^ Wolchover, Natalie (7 de junio de 2016). "La evidencia de una 'quinta fuerza' se enfrenta al escrutinio: un laboratorio en Hungría ha informado de una anomalía que podría conducir a una revolución de la física. Pero incluso a medida que aumenta la emoción, un escrutinio más detenido ha desenterrado una historia de fondo preocupante" . Revista Quanta . Consultado el 20 de noviembre de 2019 .
- ^ Siegel, Ethan (26 de noviembre de 2019). "Es por eso que la partícula 'X17' y una nueva quinta fuerza probablemente no existen" . Forbes . Consultado el 28 de noviembre de 2019 .
- ^ "Los científicos pueden haber descubierto la quinta fuerza de la naturaleza, anuncia el laboratorio" . The Independent . Londres, Reino Unido . Consultado el 26 de noviembre de 2019 .
- ^ a b Feng, Jonathan L .; et al. (2016). "Interpretación protofóbica de la quinta fuerza de la anomalía observada en 8 transiciones nucleares Be" . Cartas de revisión física . 117 (7): 071803. arXiv : 1604.07411 . Código Bibliográfico : 2016PhRvL.117g1803F . doi : 10.1103 / PhysRevLett.117.071803 . PMID 27563952 . S2CID 206279817 .
- ^ "Nuevo reclamo de bosones enfrenta escrutinio" . Revista Quanta . Consultado el 24 de noviembre de 2019 .
- ^ Dodelson, S .; Park, S. (2014). "Gravedad y estructura no local en el universo". Physical Review D . 90 (4): 043535. arXiv : 1310.4329 . Código Bibliográfico : 2014PhRvD..90d3535D . doi : 10.1103 / PhysRevD.90.043535 . S2CID 119251409 .
- ^ Jaccard, Maggiore (2013). "Una teoría no local de la gravedad masiva". Physical Review D . 88 (4): 044033. arXiv : 1305.3034 . Código bibliográfico : 2013PhRvD..88d4033J . CiteSeerX 10.1.1.742.8873 . doi : 10.1103 / PhysRevD.88.044033 . S2CID 118416243 .
- ^ Mashhoon, Bahram (2011). "Gravedad no local". arXiv : 1101,3752 [ gr-qc ].
- ^ "Muones: evidencia 'fuerte' encontrada para una nueva fuerza de la naturaleza" . BBC News . Reino Unido . Consultado el 7 de abril de 2021 .