¿Cuántas fuerzas fundamentales existen en la naturaleza? Cuatro. Por ahora, pues se han encontrado indicios de una posible quinta fuerza fundamental de la naturaleza. Algunas de las ideas más revolucionarias de la física han surgido de donde menos se esperaba: pequeñas desviaciones, resultados inesperados, cifras que no encajan del todo. En este caso, el indicio no vino de los grandes colisionadores de partículas, sino de experimentos meticulosos con átomos de calcio. Lo que parecía un pequeño ajuste en los datos ha abierto la puerta a una posibilidad fascinante: la existencia de una quinta fuerza fundamental de la naturaleza, más allá de las cuatro que conocemos.
La pista apareció al estudiar cómo los electrones saltan entre niveles de energía en los átomos. Una desviación en los resultados del llamado King plot, un gráfico que los físicos usan para comprobar cómo cambian ciertas propiedades entre distintos isótopos, llevó a un grupo internacional de investigadores a plantearse si esa anomalía podría estar causada por una interacción nueva y aún no descrita. La investigación, publicada en Physical Review Letters, ha sido realizada por equipos de Alemania, Suiza y Australia, con un despliegue técnico que combina espectroscopía de precisión y modelos teóricos punteros.
¿Qué es una fuerza fundamental?
En física, una fuerza fundamental es una de las interacciones básicas que gobiernan el comportamiento de todas las partículas. Hoy día se conocen cuatro: la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. Cada una actúa en distintos contextos y escalas, y su combinación explica el funcionamiento de casi todo en el universo observable.
Sin embargo, el modelo estándar de la física de partículas, que integra estas fuerzas (excepto la gravedad en su forma cuántica), no logra explicar fenómenos como la materia oscura o la asimetría entre materia y antimateria. Por eso, los físicos han planteado durante años la existencia de una quinta fuerza que podría llenar esos vacíos.
En este nuevo estudio, los investigadores no buscaron esta fuerza en los extremos del cosmos, sino en las transiciones electrónicas de átomos de calcio. Este enfoque les permitió alcanzar una precisión extraordinaria y detectar desviaciones que podrían sugerir una nueva interacción entre electrones y neutrones.
La pista escondida en el calcio
Los científicos utilizaron cinco isótopos estables del calcio (40, 42, 44, 46 y 48), que difieren en el número de neutrones. Midieron con altísima precisión las transiciones entre niveles energéticos de los electrones en dos tipos de átomos: calcio ionizado una vez (Ca+) y calcio altamente ionizado (Ca14+). Estos experimentos permitieron construir un King plot, una herramienta que, según el modelo estándar, debería mostrar una relación lineal entre los cambios observados.
Pero eso no fue lo que encontraron. Detectaron una desviación no lineal con una significancia de unas 103 desviaciones estándar (σ), lo que implica que es extremadamente poco probable que se deba al azar. Según los autores, “la no linealidad observada no puede explicarse completamente por el mayor efecto del Modelo Estándar previsto, el desplazamiento de masa de segundo orden”.
Esta anomalía podría deberse a una interacción más compleja del núcleo atómico, como la polarización nuclear, pero también encaja con la presencia de una nueva fuerza mediada por una partícula aún desconocida, un bosón escalar tipo Yukawa.
Qué es un bosón tipo Yukawa
Los bosones son las partículas que median las fuerzas fundamentales. Por ejemplo, el fotón media el electromagnetismo y los gluones la fuerza fuerte. El bosón tipo Yukawa, propuesto en distintos modelos teóricos más allá del modelo estándar, sería responsable de una nueva fuerza que actúa entre neutrones y electrones.
Este hipotético bosón produciría un tipo de potencial que decae con la distancia, similar al de Yukawa. Si existe, tendría efectos sutiles, difíciles de detectar directamente, pero capaces de modificar levemente los resultados de experimentos de altísima precisión como este. Por eso, los autores destacan que su estudio permite establecer “el límite más estricto hasta la fecha en la existencia de un nuevo bosón para la mayor parte del espacio de parámetros”.
Cómo se midió con tanta precisión
La clave del experimento fue el uso de técnicas de espectroscopía cuántica avanzada. En el caso del Ca14+, los investigadores midieron una transición magnética en el rango de los 570 nm con una precisión de unos 150 milihertzios. Para el Ca+, aplicaron correlación espectroscópica con iones atrapados y usaron un reloj atómico basado en el ion Yb+ como referencia.
Además, emplearon un espectrómetro de trampa de Penning para determinar con una precisión sin precedentes las relaciones de masa nuclear entre los isótopos. Un espectrómetro de trampa de Penning es un dispositivo que permite atrapar iones con campos eléctricos y magnéticos para medir sus masas con una precisión extrema. Se usa en física atómica para detectar pequeñas diferencias entre isótopos que podrían revelar nueva física.
Todo este conjunto de técnicas permitió construir un King plot altamente fiable y detectar las desviaciones que apuntan a fenómenos no explicados por la física conocida. Según el artículo original, “la GKP (Generalized King Plot) resulta ser lineal tras sustraer la contribución del desplazamiento de masa de segundo orden, lo que indica que no hay otras fuentes significativas de no linealidad”.
¿Y si no es una nueva fuerza?
Una interpretación alternativa a esta anomalía es que se trate de un efecto del modelo estándar que aún no ha sido calculado con suficiente precisión. La polarización nuclear, un fenómeno poco explorado, podría ser responsable de esta desviación, aunque requiere mejoras en los modelos actuales para ser confirmada.
El artículo presenta una estimación del impacto de esta polarización y señala que “una reducción de la incertidumbre al 10 % permitiría aclarar si la no linealidad residual se explica enteramente por la polarización nuclear”. Es decir, todavía no se puede descartar ni confirmar de forma definitiva ninguna de las dos hipótesis.
Qué significa esto para la física
Si finalmente se demostrara la existencia de una quinta fuerza, estaríamos ante uno de los descubrimientos más importantes en décadas, comparable a la detección del bosón de Higgs o a las ondas gravitacionales. Abriría nuevas vías para explicar la materia oscura, los desequilibrios cósmicos y quizá incluso las bases de una teoría cuántica de la gravedad.
Por ahora, el estudio no prueba que exista una nueva fuerza, pero sí establece los límites más estrictos hasta la fecha sobre su posible existencia. Y lo hace mediante un tipo de experimento que demuestra cómo las fronteras del conocimiento también se expanden con mediciones precisas y silenciosas, en el corazón de un átomo de calcio.
Lo que tienes que saber de la posible quinta fuerza de la naturaleza
- Investigadores han detectado una anomalía significativa al medir transiciones electrónicas en cinco isótopos del calcio.
- La desviación observada en el gráfico conocido como King plot no encaja con las predicciones del modelo estándar.
- El experimento utilizó técnicas de espectroscopía cuántica y un espectrómetro de trampa de Penning para lograr una precisión sin precedentes.
- Una de las posibles explicaciones es la existencia de un bosón escalar tipo Yukawa, mediador de una nueva interacción entre electrones y neutrones.
- Aunque el efecto también podría deberse a fenómenos conocidos como la polarización nuclear, se necesitan cálculos más refinados para confirmarlo.
- Los resultados permiten establecer los límites más estrictos hasta la fecha sobre la existencia de nuevas fuerzas.
- Este hallazgo podría tener implicaciones clave para entender la materia oscura, las asimetrías cósmicas o incluso una futura teoría cuántica de la gravedad.
Referencias
Cortesía de Muy Interesante
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