Un experimento en un laboratorio en Hungría ha detectado una anomalía en la desintegración radiactiva que podría ser la firma de una quinta fuerza fundamental de la naturaleza hasta ahora desconocida, dicen los físicos –si el hallazgo se sostiene–.

Attila Krasznahorkay del Instituto para la Investigación Nuclear de la Academia Húngara de Ciencias en Debrecen, Hungría, y sus colegas informaron de su sorprendente resultado en el servidor arXiv en 2015, y este mes de enero en la revista Physical Review Letters. Pero el informe –que proponía la existencia de un nuevo y ligero bosón, solo 34 veces más pesado que el electrón– fue mayormente pasado por alto.

Tiempo después, el 25 de abril, un grupo de físicos teóricos estadounidenses logró una mayor atención sobre el hallazgo tras publicar su propio análisis de los resultados en arXiv. Los teóricos mostraron que los datos no entran en conflicto con ningún experimento anterior –y llegaron a la conclusión de que podía ser la prueba de una quinta fuerza fundamental–. "Lo sacamos a relucir de una relativa oscuridad", dice Jonathan Feng, de la Universidad de California, Irvine, autor principal del artículo en arXiv.

Cuatro días más tarde, dos de los colegas de Feng discutieron el hallazgo en un taller del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC en Menlo Park, California. Los investigadores se mostraron escépticos pero entusiasmados con la idea, dice Bogdan Wojtsekhowski, un físico del Acelerador Nacional Thomas Jefferson en Newport News, Virginia. "Muchos de los participantes en el taller están pensando en diferentes formas de comprobarlo", dice. Grupos en Europa y Estados Unidos dicen que deberían ser capaces de confirmar o refutar los resultados experimentales de los húngaros en aproximadamente un año.

Búsqueda de nuevas fuerzas

La gravedad, el electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuerte y débil son las cuatro fuerzas fundamentales conocidas de la física –pero los investigadores han hecho muchas afirmaciones, aún sin fundamento, acerca de una quinta fuerza–. Durante la última década, la búsqueda de nuevas fuerzas ha incrementado debido a la incapacidad del modelo estándar de la física de partículas de explicar la materia oscura, una sustancia invisible que se cree forma más del 80% de la masa del universo. Los teóricos han propuesto diversas partículas de materia exótica y portadores de fuerzas, que incluyen “fotones oscuros", por analogía con los fotones convencionales que conducen la fuerza electromagnética.

Krasznahorkay dice que su grupo estaba buscando pruebas de justamente ese fotón oscuro –pero el equipo de Feng cree que encontraron algo diferente–. El equipo húngaro disparó protones a finos objetivos de litio-7, lo que creó núcleos inestables de berilio-8 que entonces se desintegraron y escupieron pares de electrones y positrones. Según el modelo estándar, los físicos deberían ver que el número de pares observados disminuye a medida que el ángulo que separa la trayectoria de los electrones y positrones aumenta. Pero el equipo informó que alrededor de los 140 grados, el número de emisiones de ese tipo da un salto –creando un 'aumento' cuando se representa el número de pares frente al ángulo– antes de caer de nuevo en ángulos mayores.

Aumento en la confianza

Krasznahorkay dice que el aumento es evidencia sólida de que una pequeña fracción de los inestables núcleos de berilio-8 arrojó su exceso de energía en forma de una nueva partícula, que a su vez se desintegra en un par electrón-positrón. Él y sus colegas calculan que la masa de la partícula es de unos 17 megaelectronvolts (MeV).

"Estamos muy seguros acerca de nuestros resultados experimentales", dice Krasznahorkay. Afirma que el equipo ha repetido sus pruebas varias veces en los últimos tres años, y que ha eliminado todas las fuentes imaginables de error. Suponiendo que lo haya hecho, entonces las probabilidades de ver una anomalía tan extrema sin que suceda nada inusual son de aproximadamente una en 200.000 millones, dice el equipo.

Feng y sus colegas dicen que la partícula de 17 MeV no es un fotón oscuro. Tras analizar la anomalía y buscar propiedades consistentes con los resultados experimentales anteriores, llegaron a la conclusión de que la partícula podría ser en cambio un "bosón X protofóbico". Esta partícula acarrearía una fuerza de extremadamente corto alcance que solo actúa a distancias de varias veces el ancho de un núcleo atómico. Y donde un fotón oscuro (como un fotón convencional) se empareja a electrones y protones, el nuevo bosón se emparejaría a electrones y neutrones. Feng dice que su grupo está actualmente investigando otros tipos de partículas que podrían explicar la anomalía. Pero el bosón protofóbico es "la posibilidad más simple y directa", dice.

Emparejamiento no convencional

Jesse Thaler, un físico teórico del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) en Cambridge, dice que el emparejamiento no convencional propuesto por el equipo de Feng lo hace ser escéptico ante la  existencia de la nueva partícula. "Definitivamente no sería la primera cosa que hubiera escrito si se me permitiera aumentar a voluntad el modelo estándar", dice. Sin embargo, añade que está "prestando atención" a la propuesta. "Tal vez estamos echando nuestro primer vistazo a la física más allá del universo visible", dice.

Los investigadores no deberían tener que esperar mucho tiempo para averiguar si la partícula de 17 MeV realmente existe. El experimento DarkLight en el Laboratorio Jefferson está diseñado para buscar fotones oscuros con masas de entre 10 y 100 MeV, disparando electrones a una molécula de hidrógeno gaseoso como objetivo. Ahora, dice Richard Milner, portavoz de la colaboración del MIT, el experimento se centrará en la región de 17 MeV como prioridad y, dentro de aproximadamente un año, podría encontrar la partícula propuesta o bien establecer límites estrictos a su emparejamiento con la materia normal.

Quien también buscará el bosón propuesto es el experimento LHCb del CERN, el laboratorio europeo de física de partículas cerca de Ginebra, que estudiará la desintegración quark-antiquark, y dos experimentos que dispararán positrones a un blanco fijo, uno en el Laboratorio Nacional Frascati INFN, cerca Roma, que se pondrá en marcha en 2018, y el otro en el Instituto de Física Nuclear Budker en la ciudad siberiana de Novosibirsk, Rusia.

Rouven Essig, un físico teórico de la Universidad Stony Brook en Nueva York y uno de los organizadores del taller SLAC, piensa que las propiedades "algo inesperadas" del bosón hacen poco probable la confirmación. Sin embargo, da la bienvenida a las pruebas. "Sería una locura no hacer otro experimento para comprobar este resultado", dice. "¡La naturaleza ya nos ha sorprendido antes!".

Este artículo se reproduce con permiso y se publicó el 25 de mayo de 2016.