20/6/2019
Ciencia

La fuerza de la oscuridad

Científicos de la Universidad de California han dado con indicios que les llevan a postular la existencia de una fuerza diferente a las conocidas hasta hoy. En caso de confirmarse, las consecuencias serían extraordinarias

Roger Corcho - 16/09/2016 - Número 51
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La fuerza de la oscuridad
Attila Krasznahorkay, que lideraba el grupo de investigadores que dio con la anomalía. Courtesy of Attila Krasznahorkay
El pasado mes de agosto científicos de la Universidad de California han proclamado tener evidencias de la existencia de una fuerza diferente a las conocidas hasta la actualidad. Se trataría de una fuerza que se habría de sumar a las otras cuatro ya conocidas hasta el momento: gravedad, electromagnetismo, fuerza nuclear fuerte y fuerza nuclear débil.

Las fuerzas pueden entenderse como las distintas maneras en las que las partículas interactúan entre sí. Todo el vaivén de procesos y fenómenos que ocurren en el universo se explican únicamente a partir de esas cuatro fuerzas. Por este motivo, en caso de confirmarse su existencia, esta quinta fuerza vendría a sacudir los cimientos de la física. Se trataría de un descubrimiento excepcional con el que aproximarse a la comprensión del universo desde un punto de vista nuevo.

Un problema de geometría

Todo surgió a partir de un experimento que realizó en 2015 un grupo de investigadores húngaros liderados por Attila Krasznahorkay. Estudiaban la desintegración del núcleo de un átomo (en concreto, el berilio) y lograron que estuviera en un estado excitado y muy energético, por lo que desprendía fotones. Como estas partículas tenían a su vez mucha energía, en fracciones de segundo acababan descomponiéndose en una pareja de partículas (un electrón y un positrón). Los físicos pueden predecir qué trayectorias tomarán ambas partículas teniendo en cuenta la energía inicial del fotón, y también establecer el ángulo que existirá entre ambas: a mayor energía, el ángulo que forman las dos trayectorias tendría que ser más estrecho, pero al formar un ángulo de 140 grados se detectó un incremento inesperado.

Bien pudiera tratarse de un error de medición (en los últimos años ha habido algunos anuncios espectaculares que han acabado en ridículo, tras tener que admitir por ejemplo que donde habían anunciado un cataclismo cósmico en realidad solo había un error estadístico), por lo que la prudencia debe imponerse. Si no hay errores —y parece que no los hay porque los experimentos se han repetido cientos de veces, y ya no hay margen para el azar— esta anomalía solo puede explicarse por la presencia de otra partícula inobservada.

Las fuerzas hasta ahora conocidas son gravedad, electromagnetismo, fuerza nuclear fuerte y fuerza nuclear débil

A pesar de estar tres años estudiando este fenómeno, el equipo húngaro no fue capaz de dar con una explicación satisfactoria, y su descubrimiento pasó desapercibido. Según el físico Jonathan Feng, de la Universidad de California, los investigadores húngaros “no fueron capaces de determinar que había una nueva fuerza, sino que simplemente constataron la existencia de un exceso de eventos que indicaban la presencia de una nueva partícula. No estaba claro si se trataba de una partícula de materia o bien de una partícula que transporta una fuerza”.

Feng y su equipo californiano retomaron el problema y pudieron salir de dudas. Fueron capaces de describir de forma indirecta las propiedades que debía tener esta partícula: establecieron que tenía que ser 30 veces más pesada que el electrón, y que tenía que transportar una fuerza (a tales partículas se las conoce como bosones; es un bosón X por tratarse de un tipo desconocido). Apenas interactúa con otras partículas, y cuando ocurre solo lo hace con neutrones y electrones (como no se ve influenciado por los protones, se dice que es una partícula protofóbica). Con todas estas cualidades sobre la mesa, pudieron determinar que no se trataba de ninguna de las partículas conocidas. Y de aquí obtuvieron el nombre y los apellidos con los que bautizar a la nueva partícula: bosón X protofóbico.

Es una partícula que el Modelo Estándar —la teoría fundamental que explica las partículas existentes y su interacción— no contempla. Es, por tanto, la primera evidencia de que la teoría no está completa, y de que existirían parcelas de la realidad que quedarían fuera de ella (“hay más cosas en el cielo y en la Tierra —advirtió Shakespeare— de lo que puede soñar tu filosofía”). Significa además que tiene que existir una física más fundamental capaz de englobarla, y que sería una tierra ignota para los investigadores. Es como si ya nos hubiéramos tomado la pastilla roja, Morfeo nos estuviera señalando dónde está la madriguera del conejo y estuviéramos a punto de saltar en su interior.

La senda oscura

Los investigadores, además, han planteado algo parecido a lo que en los relatos de ficción se califica como un sorprendente giro de la trama. Esta quinta fuerza —que se ha propuesto como interpretación de un experimento con átomos radiactivos— podría estar relacionada con uno de los principales misterios de la física —y en concreto de la cosmología— de la actualidad: la materia oscura. Para Feng y muchos otros investigadores esta es la hipótesis más sugerente y hacia la que apunta la (aún escasa) base experimental. Pero antes de proseguir, es necesario dar un rodeo para aclarar este salto del átomo a la materia oscura.

En primer lugar, los físicos usan las palabras “oscuro” o “negro” —ya sea para referirse a agujeros, a energía o a materia— para indicar que “sabemos que hay algo, pero no tenemos ni idea de lo que es". En el caso de la materia oscura, se trata de una hipótesis que explica por qué las galaxias y las agrupaciones de galaxias giran más rápido de lo que deberían. A la velocidad a la que giran, las estrellas deberían salir disparadas en todas direcciones —como ocurriría al soltar a un niño al que se le ha cogido de los brazos y se le ha hecho girar y girar—. Pero hay algo que retiene a las estrellas, como un pulso gravitatorio de origen desconocido, una forma de materia que no emitiría ningún tipo de luz, por eso no podríamos verla, y que se ha dado en llamar materia oscura.

Por más que se han hecho propuestas para desentrañar el misterio de la materia oscura, sigue sin saberse cuál puede ser su naturaleza. Se han diseñado experimentos que parecía que iban a desvelar el misterio, pero el resultado ha sido negativo. Ninguna de las posibilidades planteadas ha podido corroborarse, a pesar de que hace décadas que se está estudiando el problema. Los manuales aconsejan que cuando una hipótesis no funciona hay que desecharla, pero los tópicos no encajan bien a la hora de aplicarlos a los físicos teóricos. Ante la constatación de que la materia oscura es una hipótesis que no funciona, prefieren seguir aferrados a ella, pero transformándola en algo mucho más extravagante y rocambolesco de lo que era hasta ahora.

La anomalía descubierta por los investigadores húngaros solo puede explicarla una partícula inobservada

“Sería ingenuo pensar que la solución era sencilla”, ha declarado a New Scientist el físico Alex Drlica-Wagner, de Fermilab, especializado en la caza de la materia oscura, para justificar este cambio de planteamiento. ¿Y si en vez de una única partícula  que pueda identificarse con la materia oscura —la solución simple— en realidad existe una variedad de ellas? Y si hay todo un abanico de nuevas partículas ocultas en la oscuridad, no hay nada que nos impida pensar que entre tales partículas también haya interacciones y, por tanto, que actúen fuerzas, tal como ocurre con la materia visible. Según Feng, “una vez empiezas a pensar en fuerzas que actúan entre partículas de materia oscura, esto te conduce a una nueva manera de ver las cosas. Se puede pensar en todo un zoo de partículas oscuras y en sus fuerzas. Es un mundo completamente nuevo”. Cuando los físicos teóricos se salen del marco, dejan descolocados al resto de mortales.

La quinta fuerza cuyo descubrimiento se ha anunciado sería una de esas interacciones que se producirían entre partículas de materia oscura, y que solo en condiciones especiales interactuaría con la materia ordinaria (aunque dado que la materia que nos compone es menos del 20 % de la materia del universo, habría que ir haciéndose a la idea de que lo ordinario es lo otro). Existiría, por tanto, todo un “sector oscuro” con un completo abanico de partículas en el que habría también fotones —las partículas que transportan la energía lumínica—, pero que recibirían el nombre —oxímoron donde los haya— de fotones oscuros. Qué trivial parece hablar del lado oscuro de la Luna —como cantaban Pink Floyd—, cuando ante nosotros se presenta todo un lado oscuro del universo, con su ejército de partículas y fuerzas agazapadas en la sombra.

Cómo unificar fuerzas

A mediados del siglo XX ya fue necesario asumir la existencia de una nueva constelación de partículas que serían como la contraparte antimaterial de las partículas ordinarias. Y ahora los físicos vuelven a la carga planteando la existencia de este “sector oscuro”, con lo que el zoo de partículas ampliaría considerablemente su tamaño.

Uno de los mayores retos de la física es la búsqueda de una teoría unificada de las fuerzas. Si existen nuevas fuerzas por descubrir —además de la recientemente descubierta—, la tarea de la unificación habrá que empezarla de cero, al ser un proyecto con grandes éxitos —se unificaron tres de las fuerzas— y un gran fracaso, porque no se pudo incorporar la gravedad. Puede que gracias a la ampliación del panorama, se pueda retomar el problema desde un punto de vista completamente nuevo.

En estos experimentos en las fronteras del conocimiento, cada vez hay una mayor separación entre el dato empírico y las implicaciones teóricas (aunque un hilo —cada vez más fino pero también más firme— siga uniendo ambos extremos). Esto es lo que ocurre en el caso del anuncio de la quinta fuerza, en el que las interpretaciones de los experimentos pueden acabar no siendo más que especulaciones vacías. Cuando las consecuencias son tan extraordinarias, se impone la cautela, pero no deja de ser emocionante que existan indicios de que estas ideas tan absurdas puedan llegar a ser verdad.