La quinta fuerza !

La cotidianeidad de nuestras vidas nos da evidencias permanentes de que estamos rodeados, o más bien inmersos en sistemas de fuerzas, algunas más visibles y fácticas, otras no tanto. Ejercemos una fuerza cuando cada mañana tomamos impulso para levantarnos de nuestra cama, y a partir de ahí en cada una de nuestras acciones, provocando un gasto de energía que debemos suministrar con alimentos. Del mismo modo, la fuerza gravitatoria se manifiesta cada vez que sin querer se nos cae un objeto de las manos. Al encender una lampara la fuerza eléctrica presente en la electricidad con el movimiento de los electrones que contienen energía, se manifiesta en forma de luz. Arrancamos nuestro vehículo para concurrir al trabajo o a cualquier lugar, y el combustible al quemarse en el motor, libera energía, que es aprovechada para que la fuerza mecánica nos impulse, acelerando el vehículo en el que viajamos. Del manera similar, la fuerza de palanca de los músculos de nuestras piernas, ejercidas sobre los pedales de una bicicleta generan el movimiento de la corona, y de ahí por una cadena al piñón de la rueda, que, unido al eje de la rueda, hace que esta gire y nos permita movernos hacia adelante.

La física clásica es la que explica todos y cada uno de los fenómenos, por el cual estas “fuerzas clásicas”, manejables y reproducibles, hacen simple lo que de otro modo tendería a ser más complejo. Desde siempre los físicos teóricos, como por ejemplo Newton, han explicado los fenómenos físicos en forma de leyes, las cuales habían sido absolutamente válidas y lo siguen siendo para el grueso de los comportamientos, o mejor dicho, para los marcos de referencia que estamos acostumbrados a transitar en nuestros quehaceres diarios. Sin embargo, nuestra actualidad está acompañada de un sinnúmero de otros eventos físicos, de los cuales nos valemos sin más, pero que no tienen una explicación concreta en la mecánica clásica.

La primera gran revolución de la física luego del descubrimiento de la electricidad, fue el del electromagnetismo, el cual sentó las bases para que a partir de sus principios, se pudieran construir, por ejemplo, motores eléctricos y otros dispositivos que aprovechan el hecho, de que los campos magnéticos inducen movimientos de electrones en la materia o en contrapartida, que la electricidad o movimiento de electrones tienen un campo magnético asociado. Hoy estamos inmersos en un mundo donde el electromagnetismo se encuentra presente en muchos dispositivos, que hacen por ejemplo, que nuestro portón se abra sin necesidad de que bajemos del coche, gracias a la ayuda de un motor eléctrico.

El segundo hito de relevancia vino de la mano de la teoría general de la relatividad o de los campos gravitacionales, desarrollada por el genial Albert Einstein, la cual explica la distorsión tiempo-espacio que produce la masa de grandes objetos en el espacio sideral. Esta teoría que muchos descreían, ha sido comprobada por varios experimentos científicos, a partir de los cuales es posible conocer y predecir varios fenómenos físicos que exceden los marcos de referencia finitos de la mecánica clásica. Las leyes de Newton se explican cuando esta teoría general de la gravitación, se limita a los marcos de referencia inerciales de nuestro mundo más pequeño y limitado.

El tercer quiebre de la física comenzó su desarrollo en concomitancia con los postulados de Einstein, y es el estudio de las partículas subatómicas, estableciendo postulados cuánticos, que intentaban explicar el comportamiento de la materia puertas adentro de los átomos, intentado develar los misterios y la manera de relacionarse que tenían los electrones, protones, neutrones y otras tantas partículas subatómicas, que se fueron descubriendo a partir de experimentos e investigaciones subsecuentes. Los físicos cuánticos fueron los encargados de describir y dilucidar la dualidad onda-partícula, y en consecuencia la naturaleza corpuscular de la luz. La principal demostración de que las fuerzas atómicas eran muy poderosas, y que producto de su fisión o fusión nuclear, liberaban una gran cantidad energía, se dio de manera espantosa, cuando los científicos fueron capaces de desarrollar las bombas atómicas, que luego fueron arrojadas sobre Hiroshima y Nagasaki, dando lugar al final anticipado de la segunda guerra mundial.

Einstein, que, si bien nunca estuvo del todo atraído por la física cuántica, fue el que predijo la inmensa cantidad de energía que hay contenida en la masa, ya que demonstró que era igual a la misma por el producto de la velocidad de la luz al cuadrado. Una cantidad de energía escalofriante que fue usada en principio como un arma de destrucción masiva, para luego dar lugar a su uso más pacífico, mediante las centrales de generación eléctrica de fuente atómica, solo por citar uno de los ejemplos más conocidos. Hasta su muerte, Albert intentó cohesionar sin éxito, a la gravedad general, el electromagnetismo y la mecánica cuántica, en una sola ley. Hasta la fecha, y pese a todo el empeño de muchos físicos teóricos, no existe una ley que aglutine los tres fenómenos físicos mencionados, por lo que se mantienen con identidades separadas, con relacionamientos previsibles y explicables desde la óptica de cada rama.

Resumiendo todo lo dicho, «las fuerzas fundamentales” son aquellas fuerzas del universo que no se pueden explicar en función de otras más básicas. Las fuerzas o interacciones fundamentales conocidas hasta ahora son cuatro: gravitatoria, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil.

La gravitatoria es la fuerza de atracción que un trozo de materia ejerce sobre otro, y afecta a todos los cuerpos. La gravedad es una fuerza muy débil y de un sólo sentido, pero de alcance infinito.

La fuerza electromagnética afecta a los cuerpos eléctricamente cargados, y es la fuerza involucrada en las transformaciones físicas y químicas de átomos y moléculas. Es mucho más intensa que la fuerza gravitatoria, tiene dos sentidos (positivo y negativo) y su alcance es infinito.

La fuerza o interacción nuclear fuerte es la que mantiene unidos los componentes de los núcleos atómicos, y actúa indistintamente entre dos nucleones cualesquiera, protones o neutrones. Su alcance es del orden de las dimensiones nucleares, pero es más intensa que la fuerza electromagnética.

La fuerza o interacción nuclear débil es la responsable de la desintegración beta de los neutrones; los neutrinos son sensibles únicamente a este tipo de interacción. Su intensidad es menor que la de la fuerza electromagnética y su alcance es aún menor que el de la interacción nuclear fuerte.

Todo lo que sucede en el universo es debido a la actuación de una o varias de estas fuerzas que se diferencian unas de otras porque cada una implica el intercambio de un tipo diferente de partícula, denominada partícula de intercambio o intermediaria. Todas las partículas de intercambio son bosones, mientras que las partículas origen de la interacción son fermiones.

En la actualidad, los científicos intentan demostrar que todas estas fuerzas fundamentales, aparentemente diferentes, son manifestaciones, en circunstancias distintas, de un modo único de interacción. El término «teoría del campo unificado» engloba a las nuevas teorías en las que dos o más de las cuatro fuerzas fundamentales aparecen como si fueran básicamente idénticas.

La teoría de la gran unificación intenta unir en un único marco teórico las interacciones nuclear fuerte y nuclear débil, y la fuerza electromagnética. Esta teoría de campo unificado se halla todavía en proceso de ser comprobada. La teoría del todo es otra teoría de campo unificado que pretende proporcionar una descripción unificada de las cuatro fuerzas fundamentales.

Hasta el momento, la mejor candidata a convertirse en una teoría del todo es la «teoría de supercuerdas». Esta teoría física considera los componentes fundamentales de la materia no como puntos matemáticos, sino como entidades unidimensionales llamadas «cuerdas». Incorpora la teoría matemática de supersimetría, que sugiere que todos los tipos de partícula conocidos deben tener una «compañera supersimétrica» todavía no descubierta. Esto no significa que exista una compañera para cada partícula individual (por ejemplo, para cada electrón), sino un tipo de partícula asociado a cada tipo conocido de partícula. La partícula hipotética correspondiente al electrón sería el selectrón, por ejemplo, y la correspondiente al fotón sería el fotino. Esta combinación de la teoría de cuerdas y la supersimetría es el origen del nombre de «supercuerdas».

Sin embargo, experimentos actuales podrían estar agregando un grado más de incertidumbre, lo que haría aún más complicado la unificación de las fuerzas fundamentales en una sola ley.

El extraordinario descubrimiento científico que nos acerca a la quinta fuerza de la naturaleza

El descubrimiento se hizo en las instalaciones de un acelerador de partículas estadounidense llamado Fermilab. Estaban trabajando sobre las bases de un estudio que Fermilab publicó en 2021, sugiriendo la posible existencia de una quinta fuerza en el universo.

Desde entonces, el grupo de investigación ha recopilado más datos y asegura haber reducido bastante el factor de incertidumbre: “Realmente estamos probando nuevos territorios. Estamos determinando las medidas con mucha más precisión de lo que se ha hecho anteriormente”.

En un experimento con el llamativo nombre de “g menos dos (g-2)”, los investigadores aceleraron partículas subatómicas llamadas muones unas 1.000 veces alrededor de un anillo de aproximadamente 15 metros de diámetro, a una velocidad cercana a la de la luz.

Los investigadores encontraron que los muones se estarían comportando de una manera que no se podría explicar con la teoría existente, conocida como el Modelo Estándar, debido a la influencia de una nueva fuerza de la naturaleza.

Aunque la evidencia es sustancial, el equipo de Fermilab dice que no tiene pruebas concluyentes.

Los investigadores creen que tendrán toda la información que necesitan, y que la incertidumbre teórica se habrá reducido en un par de años lo suficiente como para que puedan alcanzar su objetivo.

Un equipo rival en Europa, trabajando con el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), espera alcanzar el objetivo antes.

Mitesh Patel, del Imperial College de Londres, es uno de los miles de físicos en el LHC que intentan encontrar fallas en el modelo estándar. Le dijo a BBC News que las primeras personas en encontrar resultados experimentales que contradigan el modelo estándar lograrían uno de los hitos más importantes de todos los tiempos en la física.

“Medir un comportamiento que no concuerda con las predicciones del modelo estándar es el Santo Grial de la física de partículas. Sería el pistoletazo que da inicio a una revolución en nuestro entendimiento porque el modelo estándar lleva siendo confirmado por pruebas experimentales durante más de 50 años”.

Desde el Fermilab dicen que su próxima serie de resultados sería el “encuentro máximo” entre teoría y experimento, lo cual puede llevar a nuevas partículas o fuerzas.

Los muones se parecen a los electrones, los cuales orbitan a los átomos y son responsables de las corrientes eléctricas, pero son 200 veces más masivos.

En el experimento, se usaron poderosos imanes superconductores para hacer tambalear a los muones.

Los resultados mostraron que los muones se tambalearon más rápido de lo que deberían hacerlo según el “modelo de las cuatro fuerzas fundamentales”.

El profesor Graziano Venanzoni, de la Universidad de Liverpool – y uno de los principales investigadores en el proyecto, le comentó a BBC News que esto podría producirse debido a una nueva fuerza desconocida.

“Creemos que puede haber otra fuerza, algo que no sepamos aún, pero debería ser importante porque nos dice algo nuevo del universo”.

Si se confirma, este podría representar uno de los hitos científicos más importantes de los últimos 100 años, desde que Einstein presentó sus teorías de la relatividad. Eso es porque una quinta fuerza, y cualquier tipo de partícula que se asocie a ella, no está incluida en el modelo estándar de la física de partículas.

Los investigadores saben que hay algo que ellos describen como la “física más allá del modelo estándar” porque la teoría actual no termina de explicar todo lo que los astrónomos ven en el espacio.

Dentro de los fenómenos que aún no se pueden explicar usando las cuatro fuerzas fundamentales, están el hecho de que las galaxias se sigan alejando de manera acelerada después del Big Bang, en vez de desacelerarse. Los científicos dicen que la aceleración está siendo impulsada por una fuerza desconocida, llamada energía oscura.

Las galaxias también están girando mucho más rápido de lo que deberían, según nuestro entendimiento de cuánto material contienen. Los investigadores creen que esto ocurre por partículas invisibles llamadas materia oscura, las cuales no se contemplan dentro del modelo estándar.

El descubrimiento de una quinta fuerza fundamental, de comprobarse podrá marcar el inicio del desarrollo de nuevas tecnologías asociadas, y ser un ante y un después para el conocimiento de la naturaleza subatómica y sus interacciones.

El ser humano amplía la frontera de sus conocimientos, como viene sucediendo desde hace siglos.

La quinta fuerza: ¿será un gran nuevo hito?