Hacia el descubrimiento de una quinta fuerza de la naturaleza

En un gran avance para el campo de la física de partículas, el profesor de física Larry Hunter y sus colegas de la universidad de Amherst y la Universidad de Texas en Austin han establecido nuevos límites a lo que los científicos llaman ” largo alcance de interacciones espín-espín” entre partículas atómicas. Estas interacciones han sido propuestas por los físicos teóricos pero aún no se han visto. Su observación constituiría el descubrimiento de una “quinta fuerza de la naturaleza” (además de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas: la gravedad, nuclear débil, nuclear fuerte y electromagnétismo) y sugiere la existencia de nuevas partículas, más allá de las actualmente descritas por el modelo estándar de la la física de partículas.

Los nuevos límites se han establecido teniendo en cuenta la interacción entre los espines de los fermiones de laboratorio (electrones, neutrones y protones) y los espines de los electrones dentro de la Tierra. Para hacer posible este estudio, los autores crearon el primer mapa completo de polarización dentro de la Tierra inducido por el campo magnético del planeta.

Hunter, junto con el profesor emérito de física, Amherst Joel Gordon, el estudiante postdoctoral Stephen Peck, el estudiante investigador Daniel Ang ’15, y Jung-Fu “Afu” Lin, profesor asociado de geociencias en UT Austin, son co-autores de un artículo sobre su trabajo que aparece en la edición de esta semana de la revista Science. La investigación altamente interdisciplinaria se basa en geofísica, física atómica, física de partículas, física, física de minerales en estado sólido y física nuclear para llegar a sus conclusiones.

El artículo describe cómo el equipo combinó un modelo del interior de la Tierra con un mapa preciso del campo geomagnético del planeta para producir un mapa de la magnitud y dirección de espines de los electrones a lo largo de la Tierra. Su modelo se basa en parte en los conocimientos adquiridos a partir de los estudios de Lin sobre transiciones de espín a las altas temperaturas y presiones del interior de la Tierra.

Cada partícula fundamental (todos los electrones, neutrones y protones, para ser específico), explica Hunter, tiene la capacidad intrínseca atómica de “espín”. El espín puede ser pensado como un vector -una flecha que apunta en una dirección particular. Al igual que toda la materia, la Tierra y su manto, una gruesa capa geológica intercalada entre la fina corteza exterior y el núcleo central, están hechas de átomos.Los átomos están a su vez compuestos de electrones, neutrones y protones que tienen espín. El campo magnético de la Tierra hace que algunos de los electrones en los minerales del manto conviertan un poco su giro en polarizado, es decir, la dirección en que gira su punto ya no es creado completamente al azar, sino que tiene una orientación neta.

Experimentos anteriores, entre ellos uno en el laboratorio de Hunter, exploraban si los giros en laboratorio apuntan en una dirección particular. “Sabemos, por ejemplo, que un dipolo magnético tiene una energía más baja cuando está orientado paralelo al campo geomagnético y se alinea con esta dirección particular; que es como una brújula funciona”, explicó. “Nuestros experimentos han eliminado esta interacción magnética y miran en busca de si puede haber otro tipo de relaciones que orienten esos giros experimentales. Una interpretación de esta”otra” interacción es que podría haber una interacción de largo alcance entre los espines en nuestro aparato, y los electrones que giran dentro de la Tierra, que han sido alineados por el campo geomagnético. Ésta es la interacción a larga distancia espín-espín que estamos buscando “.

Hasta ahora, ningún experimento ha sido capaz de detectar cualquier tipo de interacción. Sin embargo, en el artículo de Hunter, los investigadores describen cómo fueron capaces de inferir que tales fuerzas, llamadas espín-espín, si es que existen, debe ser muy débiles -tanto como un millón de veces más débiles que la atracción gravitacional entre partículas. En este nivel, los experimentos pueden limitar “la torsión gravitacional”, una extensión teórica propuesta por Einstein en la Relatividad General. Dada la alta sensibilidad de la técnica de Hunter y su equipo, esto puede proporcionar un camino útil para futuros experimentos que refinen la búsqueda de una quinta fuerza. Si uno de esas fuerzas de largo alcance se encuentra, no sólo revolucionaría la física de partículas, sino que eventualmente proporcionaría a los geofísicos una nueva herramienta que les permitiría estudiar directamente los electrones de espín polarizado en la Tierra.

“Si las interacciónes espín-espín a largo alcance se descubren en futuros experimentos, los geocientíficos pueden llegar a utilizar dicha información para comprender fiable la geoquímica y geofísica del interior del planeta”, dijo Lin.

Dejando de lado posibles futuros descubrimientos, Hunter dijo que estaba contento de que este proyecto en particular le permitiera trabajar con Lin. “Cuando comencé a investigar las transiciones de espín en el manto, toda la literatura dirigida a él. Yo estaba muy emocionado y estaba interesado en el proyecto y dispuesto a firmar como colaborador. Él ha sido un buen maestro y ha tenido una enorme paciencia con mi ignorancia acerca de la geofísica. Ha sido una colaboración muy fructífera”.

Lin tiene asimismo su propia visión: “Lo más gratificante y sorprendente de este proyecto fue que pudimos dar cuenta de que la física de partículas en realidad puede ser utilizada para estudiar el interior terrestre.

Enlace original: Particle Physics Research Sheds New Light On Possible ‘Fifth Force of Nature’