En física, se observan cuatro interacciones fundamentales (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 plantee. 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 que va 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 ha aumentado en las últimas décadas debido a dos descubrimientos en cosmología que no se explican con las teorías actuales. Se ha descubierto que la mayor parte de la masa del universo corresponde a una forma desconocida de materia llamada materia oscura . La mayoría de los físicos creen que la materia oscura está formada por partículas subatómicas no descubiertas [1] que son difíciles de detectar, 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]
El término quinta fuerza se origina en un artículo de 1986 de Fischbach et al. quien volvió a analizar los datos del experimento Eötvös de Loránd Eötvös de principios de siglo; el nuevo análisis encontró una dependencia de la distancia con respecto a la gravedad que se desvía de la ley del cuadrado inverso . [4] [5] : 57 El reanálisis fue provocado por el trabajo teórico de 1971 de Fujii [6] [7] : 3 que propone 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. [5] El artículo de Fischbach encontró una fuerza de alrededor del 1% de la gravedad y un alcance de unos pocos cientos de metros. [8] : 26 El efecto de este potencial puede describirse de manera equivalente como intercambio de bosones vectoriales y/o escalares, es decir, una predicción de nuevas partículas aún no detectadas. [5] Sin embargo, muchos intentos posteriores de reproducir las desviaciones han fracasado. [9]
Las propuestas teóricas en la categoría de quinta fuerza están impulsadas por dos inconsistencias entre los modelos actuales de la relatividad general y la teoría cuántica de campos , el problema de la jerarquía y el problema de la constante cosmológica . Ambas cuestiones sugieren la posibilidad de correcciones del potencial gravitacional circundante . [5] : 58
Hay al menos tres tipos de búsquedas que se pueden realizar, que dependen del tipo de fuerza que se considere y de 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 teoría de la gravedad de Einstein. Las teorías alternativas de la gravedad, como la teoría de Brans-Dicke , postulan una quinta fuerza , posiblemente de alcance infinito. Esto se debe a que las interacciones gravitacionales, en teorías distintas a la 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 Lunar Laser Ranging [10] e 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 despertado un interés mucho más reciente, ya que una teoría de grandes dimensiones extra 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 de la gravedad del cuadrado inverso en un rango de distancias. [11] Esencialmente, están buscando señales de que la interacción con Yukawa es interesante hasta cierto punto.
Los investigadores australianos, al intentar medir la constante gravitacional en lo profundo de un pozo de mina, encontraron una discrepancia entre el valor previsto y el 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, el USS Dolphin (AGSS-555) , mientras se encontraba profundamente sumergido. Otro experimento que midió la constante gravitacional en un pozo profundo en la capa de hielo de Groenlandia encontró discrepancias de algunos porcentajes, pero no fue posible descartar una fuente geológica para la señal observada. [12] [13]
Otro experimento utiliza el manto de la Tierra como un detector de partículas gigante, 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 hipotética quinta fuerza 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.
Algunos experimentos utilizaron un lago más una torre que está320 m 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 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. [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 comprobarse de forma muy sensible 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, del espín nuclear, [19] o de la cantidad relativa de diferentes tipos de energía de enlace en un núcleo (consulte la fórmula de masa semiempírica ). Se han realizado búsquedas desde distancias muy cortas hasta escalas municipales, pasando por la escala de la Tierra , el Sol y la materia oscura en el centro de la galaxia.
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). [20] En un esfuerzo por encontrar un fotón oscuro , el equipo húngaro disparó protones contra 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 el 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 se habían observado en el berilio-8, fortaleciendo los argumentos a favor de la existencia de la partícula X17 . [21]
Feng y col . (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 femtómetro podría explicar los datos. [23] La fuerza puede explicar la anomalía del muón g − 2 y proporcionar un candidato a materia oscura. Se están llevando a cabo varios experimentos de investigación para intentar validar o refutar estos resultados. [20] [22]
Casi todo el mundo piensa que la llamada materia oscura está formada por partículas subatómicas hasta ahora no descubiertas.
