25 de Octubre de 2021
Física teórica

Nuevas restricciones a la existencia de una quinta fuerza

Lanzando neutrones a través de un cristal de silicio, los científicos han logrado imponer límites aún más estrictos a la intensidad de una hipotética quinta interacción de la naturaleza.

Un equipo de físicos ha buscado una quinta fuerza fundamental de la naturaleza lanzando neutrones contra un cristal de silicio. En cierto sentido, los neutrones se comportan como olas que rompen contra una orilla salpicada de grandes rocas uniformemente espaciadas. [Toby Roney/iStock]

Las fuerzas misteriosas pueden ser un tema recurrente en la ciencia ficción, pero, en la realidad, hace mucho que los físicos coinciden en que todas las interacciones entre los objetos se deben a tan solo cuatro fuerzas fundamentales. Sin embargo, eso no ha impedido que busquen con ahínco una quinta fuerza adicional aún desconocida. El hallazgo de esa fuerza podría dar respuesta a algunas de las principales cuestiones sin resolver de la física actual, desde la naturaleza de la energía oscura hasta las diferencias aparentemente irreconciliables entre la mecánica cuántica y la relatividad general.

Ahora, un reciente experimento realizado en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de Estados Unidos ofrece nuevas pistas sobre la posible naturaleza de una quinta fuerza. Una colaboración internacional de investigadores empleó neutrones y un cristal de silicio para establecer nuevos límites a escala atómica sobre la intensidad de una posible quinta fuerza fundamental. El estudio, publicado en Science en septiembre, también incluye mediciones precisas de la estructura tanto de los cristales de silicio como de los propios neutrones.

«Estas búsquedas de la "quinta fuerza" se extienden a lo largo de toda la escala de longitudes de la observación humana», afirma el físico del NIST Benjamin Heacock, autor principal del estudio. Dado que diferentes teorías predicen distintas propiedades para la quinta fuerza, prosigue, los investigadores han buscado sus sutiles efectos por doquier, estudiando desde objetos astronómicos como las galaxias hasta los minúsculos movimientos de instrumentos microscópicos construidos a medida. Hasta ahora, sin embargo, todos los esfuerzos han sido en vano.

«Hay razones para pensar que estamos pasando algo por alto», señala Eric Adelberger, físico de la Universidad de Washington que no participó en el estudio. Su propio equipo también ha buscado algunas de las nuevas fuerzas propuestas mediante experimentos de gran precisión, sin hallar nada. Su trabajo, reconocido en 2021 con un premio Breakthrough, muestra que la quinta fuerza, o bien es mucho más débil de lo que predecían algunas teorías, o simplemente no existe. El experimento del NIST sigue una idea similar, pero emplea una técnica experimental novedosa. «Desde el punto de vista experimental, el objetivo es seguir restringiendo [la intensidad de] las nuevas fuerzas allá donde el experimento pueda hacerlo, y en nuestro caso ese ámbito corresponde a la escala atómica», apunta Heacock.

Según Adelberger, medir las interacciones pertinentes a esas escalas supone un reto único, en parte porque los objetos típicos del dominio atómico son aproximadamente un millón de veces más pequeños que el espesor medio de un cabello humano. «Hay que preguntarse cuánta materia cabe en un pequeño volumen asociado a esa escala de longitud. Es realmente diminuto», subraya. E incluso la más mínima influencia de otras fuerzas conocidas, como el electromagnetismo, puede desbaratar las delicadas mediciones. Para resolver este problema, el equipo del NIST usó neutrones, las partículas subatómicas con carga neutra que suelen encontrarse en los núcleos atómicos, ya que estos apenas sienten los efectos electromagnéticos.

Además, las partículas aún más pequeñas que componen los neutrones, llamadas quarks, están «pegadas» de manera tan intensa por la interacción fuerte (una de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas) que es muy difícil perturbarlas. «La interacción fuerte que mantiene unidos los quarks en un neutrón es increíblemente intensa, por lo que el neutrón casi no sufre ninguna distorsión cuando se acerca a otro tipo de materia», explica W. Michael Snow, físico de la Universidad de Indiana que tampoco participó en el nuevo experimento.

Por lo tanto, estudiar el comportamiento de los neutrones resulta muy adecuado para buscar nuevas fuerzas, porque no hay muchos efectos fácilmente medibles que influyan en esas partículas subatómicas. Albert Young, físico de la Universidad Estatal de Carolina del Norte y coautor del nuevo estudio, lo expresa de forma sencilla: «En la actualidad, a nuestra escala de longitud [atómica], los neutrones serían los que llevan la batuta».

En su experimento, los investigadores observaron neutrones que habían atravesado un cristal de silicio mecanizado y casi perfecto, especialmente fabricado por colaboradores del Centro RIKEN de Fotónica Avanzada de Japón. «El silicio es un material común, pero su mecanizado de precisión es realmente difícil», destaca Michael Huber, físico del NIST y otro de los coautores del estudio. En el interior de ese cristal perfecto (protegido de la luz, el calor, las vibraciones y otras fuentes externas de ruido gracias a las instalaciones especiales del NIST), los átomos de silicio están dispuestos en patrones predecibles en forma de rejilla.

Los neutrones que atraviesan ese retículo chocan con algunos átomos de silicio y eluden otros. Pero como el viaje de los neutrones ocurre a escala atómica, donde las leyes de la mecánica cuántica dictan que todas las partículas se comportan como ondas, sus colisiones con los átomos de silicio son similares a las de las olas que rompen contra una orilla salpicada de grandes rocas uniformemente espaciadas. Cuando un neutrón choca con un átomo de silicio, esa interacción crea una perturbación en la onda del neutrón, que se solapa con otras generadas en los átomos de silicio adyacentes. El resultado es un patrón de interferencia no muy diferente a las aguas agitadas de una costa rocosa.

Gracias a un inteligente diseño, los experimentadores consiguieron que algunas de las «ondas» de neutrones que rompían en las «orillas» de átomos de silicio se superpusieran de una forma muy concreta, dando lugar a las llamadas oscilaciones Pendellösung. Estas oscilaciones en cierto sentido son análogas a latidos, y podemos pensar en ellas como las pulsaciones periódicas que aparecen en la intensidad del sonido cuando reproducimos simultáneamente dos ondas sonoras casi idénticas. En el caso de este nuevo experimento, corresponden a un patrón ondulatorio característico pero difícil de detectar en las ondas de neutrones que rompen a lo largo de la orilla de silicio. «Aunque la interferencia Pendellösung se descubrió y demostró hace mucho tiempo, en la década de 1960 en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, apenas se usa y la mayoría de los experimentos no pueden observarla», explica Huber.

Su equipo analizó cuidadosamente estas ondulaciones especiales, buscando detalles clave sobre las «rocas» de silicio y las ondas de los neutrones que chocaron contra ellas. Es como si pudieran saber cuánta «agua» llevaba cada «onda», si alguna «roca» se movía en la colisión y muchas más cosas. Y lo que es más importante: si se hubiera producido una interacción mediada por una quinta fuerza a escala atómica, los detalles del patrón de interferencia de las ondas de neutrones habrían revelado su presencia, igual que las ondulaciones de la espuma pueden seguir el contorno de una pared sumergida en el mar. Aunque los investigadores no hallaron indicios de la existencia de una quinta fuerza, establecieron un nuevo límite 10 veces más estricto que el anterior sobre su posible intensidad.

El equipo del NIST cree que su innovador montaje experimental les permitirá realizar mediciones aún más precisas en el futuro. Ya han conseguido, por ejemplo, inferir detalles sobre la disposición de los quarks en el interior del neutrón, así como algunos movimientos precisos de los átomos de silicio que podrían resultar útiles para fabricar dispositivos electrónicos optimizados. Sin embargo, sus esfuerzos por acotar la intensidad de la quinta fuerza, una tarea que realizan combinando múltiples mediciones independientes de las propiedades de los neutrones bajo ciertos supuestos, sigue siendo la parte más prometedora y difícil de su trabajo. «Podemos y debemos seguir buscando [la quinta fuerza]», afirma Yoshio Kamiya, físico de la Universidad de Tokio ajeno al nuevo estudio. «Esto solo supone un paso.»

Adelberger está de acuerdo, y está ansioso por ver los resultados de la siguiente tanda de experimentos. «Hay muchas cosas que entran en juego en la obtención de este tipo de resultados», comenta. «Se trata de un efecto diminuto, y los investigadores siguen teniendo que dar cuenta de todos los demás efectos diminutos.» Tanto Kamiya como Adelberger creen que es debatible hasta qué punto el nuevo trabajo debería hacer que los físicos reconsiderasen sus teorías sobre la intensidad de una hipotética quinta fuerza. Sobre la base del estudio actual, Adelberger opina que aún hay demasiadas fuentes de error; aún si el equipo del NIST hubiera encontrado pruebas de la existencia de una nueva fuerza, prosigue, no podrían considerarse verdaderamente concluyentes.

Heacock revela que su equipo ya tiene ideas para continuar su trabajo, como reemplazar los cristales de silicio por otros de germanio, donde los átomos están dispuestos en estructuras distintas que podrían ser aún más apropiadas para la observación precisa de la interferencia de los neutrones. Otro objetivo es ampliar de manera significativa el catálogo de mediciones precisas a escala atómica, para que todos los físicos que buscan la quinta fuerza puedan consultarlo al realizar sus propias investigaciones.

En el mejor de los casos, opina Heacock, las mediciones del nuevo estudio serán solo las primeras y abrirán la puerta a decenas más en el futuro. «Creo que cualquier experimento se acabará topando con un escollo insalvable, pero también creo que aún queda bastante para eso», concluye.

Karmela Padavic-Callaghan

Referencia: «Pendellösung interferometry probes the neutron charge radius, lattice dynamics, and fifth forces», Benjamin Heacock et al. en Science, vol. 373, págs. 1239-1243, 10 de septiembre de 2021.

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