En física, una quinta fuerza se refiere a una interacción fundamental hipotética (también conocida como fuerza fundamental) más allá de las cuatro 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 encajan con las teorías existentes. Las características específicas de una supuesta quinta fuerza dependen de la hipótesis que se esté planteando. No se ha encontrado evidencia que respalde estos modelos.
El término también se utiliza como "quinta fuerza" para referirse a una teoría específica propuesta por Ephraim Fischbach en 1971 para explicar las desviaciones experimentales en la teoría de la gravedad. Los análisis posteriores no lograron reproducir esas desviaciones.
El término quinta fuerza se origina en un artículo de 1986 de Ephraim Fischbach et al., quienes reanalizaron los datos del experimento de Eötvös de Loránd Eötvös de principios de siglo; el reanálisis encontró una dependencia de la distancia con la gravedad que se desvía de la ley del cuadrado inverso . [1] [2] : 57 El reanálisis fue provocado por el trabajo teórico en 1971 de Fujii [3] [4] : 3 proponiendo un modelo que cambia la dependencia de la distancia con un término similar al potencial de Yukawa :
El parámetro caracteriza la fuerza y el alcance de la interacción. [2] El artículo de Fischbach encontró una fuerza de alrededor del 1% de la gravedad y un alcance de unos pocos cientos de metros. [5] : 26 El efecto de este potencial puede describirse de manera equivalente como un intercambio de bosones vectoriales y/o escalares, es decir, una predicción de nuevas partículas aún no detectadas. [2] Sin embargo, muchos intentos posteriores de reproducir las desviaciones han fracasado. [6]
Las propuestas teóricas para una quinta fuerza se basan en inconsistencias entre los modelos existentes de la relatividad general y la teoría cuántica de campos , y también entre el problema de la jerarquía y el problema de la constante cosmológica . Ambas cuestiones sugieren la posibilidad de correcciones al potencial gravitatorio en torno a . [2] : 58
La expansión acelerada del universo 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. [7] [8] [9]
Hay al menos tres tipos de búsquedas que se pueden realizar, que dependen del tipo de fuerza que se considere y su alcance.
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 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 diferentes efectos. 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 de medición de distancia por láser lunar [10] y la interferometría de línea de base muy larga .
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 por un campo escalar de luz (es decir, un campo escalar con una longitud de onda Compton larga , que determina el rango). Esto ha provocado un interés mucho más reciente, ya que una teoría de grandes dimensiones adicionales supersimétricas ( dimensiones con un tamaño ligeramente inferior a un milímetro) ha impulsado un esfuerzo experimental para probar la gravedad en escalas muy pequeñas. Esto requiere experimentos extremadamente sensibles que busquen una desviación de la ley del cuadrado inverso de la gravedad en un rango de distancias. [11] Esencialmente, están buscando señales de que la interacción de Yukawa se está activando a una cierta longitud.
Unos investigadores australianos, que intentaron medir la constante gravitacional en las profundidades de un pozo minero, encontraron una discrepancia entre el valor predicho y el medido, siendo el valor medido un dos por ciento más 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 se encontraba profundamente sumergido. Un experimento adicional 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. [12] [13]
Otro experimento utiliza el manto de la Tierra como un detector de partículas gigantes, centrándose en los geoelectrones. [14]
Jain et al. (2012) [15] examinaron 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 las 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 con respecto a la teoría de la gravedad de Einstein.
Algunos experimentos utilizaron un lago más una torre que es320 metros de altura. [16] Una revisión exhaustiva realizada por Ephraim Fischbach y Carrick Talmadge sugirió que no hay evidencia convincente de la quinta fuerza, [17] 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 la existencia de una quinta fuerza. [18]
Los experimentos anteriores buscan una quinta fuerza que, como la gravedad, sea independiente de la composición de un objeto, de modo que todos los objetos experimenten la fuerza en proporción a sus masas. Las fuerzas que dependen de la composición de un objeto pueden probarse de manera muy sensible mediante experimentos de equilibrio de torsión de un tipo inventado por Loránd Eötvös . Tales fuerzas pueden depender, por ejemplo, de la relación de protones a neutrones en un núcleo atómico, el espín nuclear [19] o la cantidad relativa de diferentes tipos de energía de enlace en un núcleo (ver 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.
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). [20] 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 desintegraron 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 exceso de energía en forma de una nueva partícula.
En noviembre de 2019, Krasznahorkay anunció que él y su equipo en ATOMKI habían observado con éxito las mismas anomalías en la desintegración de átomos de helio estables que las observadas en el berilio-8, lo que fortalece la hipótesis de la existencia de la partícula X17 . [21]
Feng et al . (2016) [22] propusieron 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 neutrones y electrones y un rango de femtómetros podría explicar los datos. [23] 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. [20] [22]
