¿A las puertas de una quinta interacción?


rabi1

Cuenta la leyenda que Isidor Isaac Rabi, premio Nobel en física por el descubrimiento de la resonancia magnética nuclear, preguntó -¿Quién ha ordenado esto?-, tras el descubrimiento del muón.  No estaría nada mal saber qué preguntaría ahora que estamos a las puertas de poder descubrir que hay interacciones que aún no conocemos en nuestras escalas de energías.

De lo que va esto es del resultado de este artículo:

Observation of Anomalous Internal Pair Creation in 8Be: A Possible Indication of a Light, Neutral Boson

En este artículo se dice que se han encontrado evidencias bastante sólidas de la existencia de un nuevo bosón en unas determinadas reacciones nucleares.  Este bosón sería el mediador de una interacción que aún no conocemos, una interacción muy débil que sería capaz de conectar de forma no gravitatoria eso que llamamos materia oscura con nuestra materia ordinaria.  Es solo un primer paso, una primera evidencia de la que se tendrá que estudiar mucho.  Por supuesto que hay que mantener la calma y los pies en el suelo y para ello nada mejor que leer a Francis:  Primeros indicios de una nueva fuerza interacción fundamental.

Si eres fuerte de espíritu te animo a que abras el artículo y lo leas.  La verdad es que es un poco descorazonador.  Este es uno de esos ejemplos en el que el título dice una cosa que luego no se encuentra por ningún sitio en el texto.  Es uno de esos casos en el que la ciencia se muestra tan árida y ardua como es posible.  Hay profusión de términos, de datos, de conceptos, de ideas experimentales y de palabrejos.  Nuestro objetivo es limpiar todo eso para dejar brillar con todo su esplendor la idea que subyace y las conclusiones que podemos obtener de ahí.  Espero conseguirlo.

Núcleos, núcleos excitados y desexcitaciones

El rollo este va de excitar energéticamente núcleos atómicos y ver como pierden esa energía. Como sabemos y como hemos dicho muchas veces por aquí un sistema físico suele tener la santa manía de estar en su estado de mínima energía.  Por lo tanto, si excitamos el sistema inyectando energía en el mismo esperamos que de manera espontánea esa energía se emita de alguna manera para perder el exceso y permitir que el sistema vaya a su estado de mínima energía.  La idea no deja de ser simple, ¿verdad?

Si nos concentramos en núcleos atómicos, que son esas agrupaciones de protones y neutrones que se encuentran en los átomos, tenemos distintas formas en las que dichos núcleos emiten la energía que tienen al estar excitados.  Estos núcleos, dependiendo de determinadas condiciones, emiten partículas alfa, electrones, fotones de alta energía, etc.

Dentro de ese etcétera hay una forma en la que un núcleo puede perder energía, si se dan las condiciones adecuadas, que es la que nos interesa.  La energía sobrante se puede invertir en crear un par electrón y positrón (un par de materia/antimateria) que saldrán disparados del núcleo formando un determinado ángulo.

Vamos a introducir a un amigo, el núcleo de berilio.  El berilio tiene en su núcleo 4 protones, ese es su número atómico, el número que lo identifica en la tabla periódica.

Tabla-periodica

El berilio se puede presentar con distintos números de neutrones en su núcleo, los isótopos.  El que nos interesa a nosotros ahora es el que tiene cuatro protones, como todo buen berilio, y cuatro neutrones, es decir, el que tiene un número atómico (número de protones) igual a 4 y un número másico (la suma del número de protones y de neutrones presentes) igual a 8.

berilio8

Ahora supongamos que podemos excitar el núcleo de algún modo.  El núcleo entrará en un estado excitado y tendrá tendencia a ceder ese exceso de energía para volver a su estado de mínima energía o estado fundamental.  Una de las formas en las que eso es posible es emitiendo un electrón y un positrón en un proceso que se denomina creación interna de pares:

berilio8exc

En la imagen hemos denotado el estado excitado por un asterisco y cede su energía creando, literalmente, un par electrón y positrón.  Evidentemente la energía del estado excitado ha de ser mayor que el doble de la masa del electrón para poder crear un par de electrón/positrón (recordemos que cada miembro de un par de partícula/antipartícula tienen exactamente la misma masa).

Preparando berilios-8 excitados

Para empezar lo que necesitamos es tener un conjunto de núcleos de berilio que estén excitados y que puedan crear pares de forma interna como se ha descrito en la sección anterior.  Con tal fin, partimos de una muestra que contiene litio.  El litio es átomo cuyo núcleo tiene tres protones.  Elegimos trabajar con litio con un número másico (suma de protones y neutrones) igual a 7, es decir, tres protones (porque es litio) y cuatro neutrones.

Lanzando protones contra esa muestra que contiene litio-7 conseguimos, a través de un proceso de captura del protón, un núcleo que ahora tiene 4 protones, es un berilio, y un número másico de 8.  Si ajustamos bien la energía con la que lanzamos los protones podemos conseguir que el berilio formado esté en un estado excitado que libere su energía por creación interna de pares.

litio

Pues nada, ya tenemos lo que necesitábamos, nuestro berilio-8 excitado.

¿Qué buscamos? ¿Qué esperamos encontrar?

Una vez que tenemos la muestra preparada y tal, bombardeando la cosa con litio con protones y esperando que se forme berilio-8 excitado, lo que esperamos encontrar es una emisión de electrones y positrones:

berilio8exc

Medir electrones y positrones es bastante fácil, se nos da bastante bien medir partículas cargadas.  Lo que no es tan fácil, y es parte de la gracia del experimento, es medir el ángulo con el que esos electrones y positrones salen del núcleo y la energía que llevan en conjunto (en realidad, para gentes tiquismiquis se busca medir la masa invariante del sistema formado por el par de partículas).

Este tipo de experimentos tiene una larga historia, pero es ahora cuando se han podido medir esos parámetros con la suficiente finura como para poder encontrar algo inesperado (en principio).

Lo que uno espera encontrar es que el número de pares encontrados vaya disminuyendo para ángulos cada vez mayores y para energías del par cada vez mayores.  Es decir, en el experimento se verán muchos pares con ángulos y energías pequeñas y el número se irá reduciendo al considerar ángulos y energías mayores.

Vamos, que lo que esperamos encontrar si todo va como suponemos que tiene que ir, con nuestra física de andar por casa etc, es:

angulo

¿Qué se ha encontrado?

La naturaleza generalmente gusta de hacernos pasar por bobos y esta oportunidad no la iba a desaprovechar… o al menos eso me gustaría a mí.

Lo que se ha encontrado en el experimento es algo así (muy simplificado):

angulo2

Hay un maldito exceso de pares centrados en un ángulo de salida de 140º y que corresponde a una energía del par correspondiente a 17MeV.

Los experimentales que han llevado a cabo este trabajo están bastante seguros de que no es un fallo del experimento, podemos confiar bastante en que todo ha ido bien y que ese pequeño exceso inesperado realmente está ahí.  Pero como advierte Francis en su blog hay que esperar a nuevas confirmaciones independientes.

Supongamos que sí, que eso está ahí… ¿Qué diablos significa eso?

La posible explicación

Una explicación a este exceso de pares electrón/positrón en el experimento es que los berilio-8 excitados puedan perder su energía emitiendo una partícula desconocida, que en un alarde de originalidad se denomina partícula X.  Esta partícula se desintegra muy rápidamente en pares electrón/positrón que salen en ese ángulo.  La energía del par electrón/positrón, los 17MeV (que es una medida de energía) corresponde a la masa de la partícula que origina el par, la partícula X.

partX

Por cuestiones de distintas leyes de conservación y el comportamiento de esta reacción sabemos que la partícula X ha de ser un bosón, una partícula de espín entero y que se tiene que comportar como un fotón, más o menos.  La diferencia es que el fotón usual no tiene masa y por lo tanto transmite una interacción, el electromagnetismo, que tiene alcance infinito.  Nuestro bosón X transmitiría una interacción, es decir, sería capaz de comunicar y de actuar sobre las partículas que conforman nuestra materia usual pero debido a que tiene masa (esos 17MeV) su alcance sería muy pequeño y por lo que sabemos de física atómica y molecular esta interacción sería muy, muy débil.  Eso implica que es difícil de detectar.

Este experimento podría ser la primera indicación de física que no ha sido descrita por el modelo estándar de la física de partículas en experimentos de baja energía.  Dado que la interacción es de muy corto alcance y muy débil podría ser una interacción “oscura” en el sentido de que permitiría explicar algunas características de la materia oscura y de su forma de relacionarse con la materia usual.

La gracia de todo esto es que las teorías de partículas más allá del modelo estándar, como algunas teorías de gran unificación, predicen la existencia de este tipo de partículas y de interacciones.  De confirmarse este resultado estamos ante las puertas de una nueva convulsión en física, una donde hay experimentos que podrán guiar nuestras pajas mentales teóricas.

Esto de la física, amigas y amigos, se está poniendo cada vez más interesante.  Espero que haya quedado claro, al menos un poquito, el experimento y sus consecuencias.  Seguiremos informando conformen vayan saliendo las noticias al respecto.

Nos seguimos leyendo…

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38 Respuestas a “¿A las puertas de una quinta interacción?

  1. Enhorabuena por este gran trabajo. El esfuerzo por hacer entendible, para la mayoría, aquello que de otra forma sería infumable es muy de agradecer. La buena divulgación científica es más importante de lo que muchos piensan.
    En cuanto al contenido del artículo, he de decir que has dado en el clavo cuando manifiestas, a las claras, que éste es un fenómeno que la física actual no había previsto con el modelo estándar de partículas. Con lo cual, ahora hay dos opciones: el modelo es incompleto (decimos que ha de ser una nueva interacción que se sumará a las que ya conocemos, enriqueciéndolo) o el modelo es erróneo (consideramos entonces que debemos buscar “nueva física”). Yo me decanto por la segunda, pues tengo muy buenas razones para decirlo.
    Permitirme que use este comentario para poner a disposición de tus lectores la nueva “Teoría de Ruedas” en la que, ya hace tiempo, había previsto este fenómeno como una emisión que denominé “beta cero” incluida en el apartado que explica la “creación” de pares E-P.

    http://teoriaderuedas.com

  2. ¿A què se refieren con “àngulos”?

  3. Excelente artículo que hace que uno se introduzca aún más en este mundo tan fascinante de la física.

  4. Antonio (AKA "Un físico")

    Si se confirma la observación, según el artículo original, este bosón X podría explicar: parte de la materia oscura y la anomalía del momento magnético del muón. Especulo que también podría usarse para explicar la asimetría bariónica. Veremos en qué queda esto.

  5. Pingback: Lo Mejor de la Semana (22 – 28 de mayo) | Hablando de Ciencia | Artículos

  6. oscarrobertoernst

    Al principio le llamaban fuerza, como esto era una idea evidentemente medieval, se le cambio por “interaccion”; pero sigue el mismo concepto inexplicable y magico medieval.

    • No exactamente, me parece. Fuerza tiene un significado preciso en ciencia: es el efecto de un campo sobre un objeto. Dicho intercambio se expresa mediante el intercambio de partículas. Dicho intercambio es la interacción.
      Vamos, si la memoria no me falla.

    • Un campo es el movimiento que está asociado a un conjunto de partículas.

      El movimiento de millones de granos de arena que se mueven dentro de un tornado, es análogo un campo de partículas, y aunque hay predilección en la física por los campos concéntricos, por eso de la relevancia que tiene la simetría, los campos pueden no tener forma concreta, como el vuelo en bandada de los estorninos.

      Puede que el vuelo de los estorninos y su interacción a distancia, sin contacto, sea otra forma de concebirlo.
      Quizá las figuras que forman los estorninos en su baile conjunto, sea la manifestación universal que da existencia también a los estorninos.

      • Ya te has vuelto a saltar la medicación ¿verdad? No hay predilección por los “campos concéntricos”: los campos se han mostrado así una y otra vez.
        El campo gravitatorio depende de la distancia. El campo electromagnético también. El campo de la interacción fuerte y el de la débil también.
        Tus elucubraciones carecen de evidencia alguna. Como siempre.

        • La simetría no se produce porque a un forma se le pueda asignar un eje de simetría. Los campos tienen muchas formas, siempre que la idea no sea partir de una singularidad que satisfaga las condiciones de simetría.
          Si mueves el eje de simetría asignado a una forma, la simetría se pierde.
          Si medimos la simetría de una forma cada vez más lejos de su eje, la simetría terminará desapareciendo.
          Una forma simétrica se deforma cuando otra forma simétrica o no, se acerca a ella.

          La simetría es particular de consideraciones puntuales. De principio se busca el elemento central que constitutiva una simetría al rededor de él, no se empieza desde una observación exenta de preconceptos, porque el análisis se fundamenta en lo se puede determinar como singular. Consideración que hace de lo singular la explicación de lo universal, pero resulta que lo singular es algo efímero, y algo efímero no es algo de carácter universal.

          • Qué previsible. Especulaciones sobre especulaciones y, como hace años, ni una evidencia que las apoye.
            No has mejorado en nada.

            • MaGao
              ¿Qué he dicho que no tenga evidencias que lo apoyen?

              • Yo lo digo. No las tienes. Pero puedes mostrarlas y demostrar que estoy equivocado.

                • Indícame algo que haya dicho que no se apoye en evidencias, porque no sé como mostrar las evidencias, sin conocer antes aquello que consideras sin pruebas.

                  • “Los campos tienen muchas formas”.
                    Demuestra que el campo generado por una partícula carece de asimetrías.

                    • Precisamente el campo de una partícula, o la distribución en el espacio de una magnitud física que tiene origen en una partícula, o una entidad puntual; siempre sera simétrico, porque tiene un origen puntual y por tanto un eje de simetría que pasa por el punto de origen.
                      Ademas la distribución espacial del valor de un magnitud física con origen en una partícula es concéntrica, porque solo puede cambiar con la distancia, al no haber otros factores que intervengan.

  7. ¿Existen realmente las partículas, o nacen de la imaginación que simula un universo hecho de partes diminutas?

  8. Hay una errata, cuando hablas de preparar el 8Be a partir de 7Li, pone 3 protones y 4 protones, son 4 neutrones.
    Un pequeño error.
    Por lo demas buen resumen.
    Gran blog.

  9. Carlos Martínez

    Muy bien explicado. Las nociones que tengo de física son muy elementales, pero me han sido más que suficientes para seguir la explicación. Muchas gracias por este artículo y por divulgar física a los profanos.

  10. Pingback: Primeros indicios de una nueva fuerza fundamental—La Ciencia de la Mula Francis – Postgrado Física-Matemática. DCyT

  11. Gustavo Rodríguez

    Saludos.
    Me parece una noticia bastante interesante.
    ¡Muchas gracias!
    Un comentario, al final del primer parrafo de Preparando Berilios-8 excitados dice dos veces protones en lugar de protones y neutrones.

  12. Considero digno de ponderación el esfuerzo del autor de esta nota.

    Nos muestra en forma pedagógica lo que tienen, lo que creen tener y lo que tendriolan , digamos, lo que esperan encontrar.

    Así que veremos, dijo Lemos

    Lo que puedo decir es que me puso ansioso la espera ; Siempre me fascinó la idea de encontrar algo que no existe.

    No me imagino que puede suceder o que haría yo en casos así.

    ¿Sería como si encontráramos la Nada. Que haríamos de encontrarnos ante la Nada?

    Que alguien venga y me diga, tomé, agarre a esta Nada.

    Matemáticamente no parece ofrecer mayor problema el asunto, pero desde el punto de vista de la física es todo un tema.

    ¿Qué haría un físico con una Nada?

    ¿Y un Ingeniero?, sería candidatazo a un neuro psiquiátrico. Son los que construyeron el mundo en que vivimos, pero los pobres siempre lo hicieron con algo.

    Pensarían que tener que construir con Nada sería algo espantoso.

    Lo siento, me desperdigué contándoles mis penurias.

    Buen artículo.

    ¨ rubenardosain.wordpress.com ¨

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  14. Pingback: ¿A las puertas de una quinta interacci&o...

  15. Ante todo gracias por la buenísima explicación. Lo que me gustaría saber es por qué se sabe que la partícula ‘X’ es un bosón. Y tampoco entiendo por qué se sabe que la particula ‘X’ es una partícula todavía no conocida. ¿no podría ser por ejemplo un fotón altamente energético que se descompone en un electron/positron?

    • Un fotón es un bosón 😉
      Sospecho que la razón por la que se piensa que no es un fotón es que un fotón “tardaría más” en descomponerse.

      • Está claro que un fotón es un bosón, pero eso no responde a la pregunta de por qué la particula X tiene que ser un bosón.
        Por otro lado, lo de que “un fotón tardaría más” es cierto, pero ¿y si en las inmediaciones de los cuarqs, a esa escala, el tiempo pasase más rápidamente? 🙂

    • El positrón y el electrón tienen spin semientero 1/2 (creo que uno lo tiene positivo y otro negativo, pero lo sé con certeza). Si el spin se conserva (ojo, puedo meter la pata, no soy experto en esto), la partícula que ha generado electrón y positrón tendrá spin 0 ó 1. Una partícula con spin entero es un bosón.

      Esto es algo natural, se sabe que si una partícula y su antipartícula chocan se desintegran generando un fotón muy energético. Así que en este caso parece que por algún motivo se generaría un ‘fotón oscuro’ con masa. Y al tener masa su alcance sería pequeño (pero supongo que mayor que la interacción débil, cuyos fotones son mucho má masivos).

  16. Emilio Correa Gonzalez

    Creo que has conseguido que personas como yo, que solo tenemos conocimientos a nivel de divulgación, podamos comprender este tema.

    Muchas gracias por tu esfuerzo.

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