En física , una anomalía es un tipo hipotético de materia nuclear que muestra una sección transversal reactiva anormalmente grande . Se notaron por primera vez en experimentos a principios de la década de 1980 como pistas cortas en emulsiones de películas o detectores de hojas de plástico conectados a aceleradores de partículas de energía media . La dirección de las huellas demostró que eran el resultado de reacciones que tuvieron lugar dentro de los objetivos del acelerador, pero se detuvieron tan rápidamente en los detectores que no se pudo ofrecer una explicación obvia para su comportamiento. Siguió una avalancha de explicaciones teóricas, pero con el tiempo una serie de experimentos posteriores no lograron encontrar evidencia sólida de las anomalías, y el estudio activo del tema terminó en gran medida a fines de la década de 1980.
Los primeros aceleradores de partículas generalmente constaban de tres partes: el acelerador, un objetivo metálico y algún tipo de detector. Los detectores diferían según las reacciones que se estudiaban, pero una clase de detectores económicos y útiles consistía en un gran volumen de emulsión fotográfica, a menudo en placas individuales, que capturaba las partículas a medida que se movían a través de la pila. A medida que la comunidad de alta energía pasó a aceleradores más grandes y partículas y reacciones exóticas , se introdujeron nuevos detectores que funcionaban según principios diferentes. La técnica cinematográfica sigue utilizándose hoy en día en determinados campos; Las versiones pequeñas se pueden volar en globos, mientras que las versiones más grandes se pueden colocar en minas, ambas para capturar rayos cósmicos raros pero de energía extremadamente alta .
A finales de los años 1970 y principios de los 1980, una generación de aceleradores había quedado obsoleta debido a máquinas más nuevas en términos de su utilidad para investigaciones de vanguardia. Aún útiles para otras tareas, estas máquinas más antiguas se utilizaron en una amplia variedad de nuevos estudios. Un área de investigación particularmente activa son las colisiones entre partículas de mayor masa, en lugar de partículas fundamentales como electrones o protones . Aunque la energía total de la reacción es igual o menor que la que sería usando partículas elementales más ligeras, el uso de elementos más pesados aumenta la cantidad de productos de las reacciones, revelando reacciones de baja frecuencia que de otro modo podrían pasar desapercibidas. Los gases nobles son particularmente útiles para estos experimentos porque son fáciles de manejar, no reactivos y relativamente económicos.
Uno de esos experimentos se estaba llevando a cabo en Bevalac en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley utilizando Argón 40 acelerado a 1,8 GeV y luego estrellado contra un objetivo de cobre respaldado por un detector de emulsión nuclear. Fue aquí donde se observaron por primera vez las anomalías. Al estudiar los resultados de estos experimentos, se descubrieron una serie de huellas muy cortas que penetraban sólo una corta distancia en la emulsión. La gran mayoría de las partículas continuaron en la emulsión a distancias mucho mayores, de acuerdo con las expectativas y los resultados de todos los experimentos anteriores en la máquina. Las huellas no parecían provenir de fuentes externas como los rayos cósmicos . Se llevaron a cabo más estudios con Oxígeno 16 y Hierro 56, y estos experimentos también mostraron las mismas pistas cortas. [1]
Para que las partículas se detuvieran tan rápidamente dentro de la emulsión, tendrían que tener bajas energías y, por lo tanto, moverse lentamente, ser extremadamente masivas y, por lo tanto, tener alta energía pero aún así moverse lentamente, o estaban reaccionando con la propia emulsión. y convirtiéndose en otras partículas. La primera posibilidad, que fueran partículas de baja energía, no parecía probable dada la física del acelerador. La segunda, que tenían una gran masa, fue contradicha por otras mediciones que sugerían que las partículas tenían una carga de 14, como el silicio , y por lo tanto muy probablemente tendrían una masa baja. Esto dejaba sólo la tercera posibilidad: que estuvieran reaccionando con la propia emulsión. Esto no era de ninguna manera infrecuente, estas reacciones se utilizaron como parte integral del proceso de detección, pero lo extraño era la velocidad a la que tendrían que ocurrir estas reacciones. Para producir pistas tan cortas, las partículas tendrían que reaccionar mucho más rápido que nunca antes visto. Las partículas se conocieron como "anomalones" debido a sus velocidades de reacción aparentemente anómalas. Si seguían las mismas reglas básicas que el resto de la materia e interactuaban con la emulsión debido a la fuerza fuerte , su componente de la fuerza fuerte era aproximadamente diez veces mayor que la fuerza de las reacciones conocidas. [2]
Siguió una serie de experimentos, intentando duplicar los resultados. Muchos de ellos utilizaron un sistema detector alternativo que utilizaba finas láminas de plástico, y no lograron encontrar ninguna evidencia de las anomalías. [3] Se sugirió que esto se debía a que la sección transversal de la reacción, cualquiera que fuera, era mucho mayor en los núcleos de mayor masa, como era el caso de los detectores de emulsión pero no del plástico. [4] Otros sugirieron que en realidad estaban viendo sopas de quarks y gluones por primera vez. En 1984 se celebró en LBNL un taller sobre esta cuestión.
Sin embargo, a medida que avanzaban los estudios, el número de resultados negativos siguió creciendo. [4] [5] En 1987, el interés en el tema había disminuido y la mayor parte de la investigación en el campo terminó. Sin embargo, algunas investigaciones continuaron y en 1998 Piyare Jain afirmó haberlos demostrado finalmente de manera concluyente, utilizando aceleradores más grandes en el Laboratorio Nacional Brookhaven y el CERN y combinándolos con un detector delgado que, según él, era clave para el problema de detectar las anomalías. [6] Más recientemente, ha afirmado que las partículas en cuestión son en realidad el esquivo axión , que durante mucho tiempo se pensó que era parte del modelo estándar , pero que no se ha visto a pesar de décadas de búsqueda. [7]