Primeros indicios de una nueva fuerza fundamental

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Físicos húngaros han publicado en Physical Review Letters los primeros indicios de una nueva fuerza fundamental. Mediada por un fotón oscuro (o un bosón protófugo) con una masa de unos 17 MeV/c² se ha observado en las desintegraciones de núcleos de berilio-8. Estos núcleos son producidos mediante colisiones de protones contra núcleos de litio-7 y se desintegran en pares electrón-positrón. La confianza estadística en la medida es de 6,8 sigmas para una partícula de 16,70 ± 0,35 (stat) ± 0,5 (sys) MeV/c².

Por supuesto, debemos ser muy cautos. Más de cinco sigmas es un descubrimiento, siempre que se observe en al menos dos experimentos (o detectores) diferentes. Hasta que el experimento DarkLight observe dicha anomalía, debemos hablar de primeros indicios aún por confirmar. Desde el año 1966 se han observado anomalías en las desintegraciones de los núcleos ligeros que han sido interpretadas como resultado de un fotón oscuro. Hasta ahora dichos indicios no habían alcanzado las cinco sigmas. Sin embargo, debemos ser muy cautos con el nuevo resultado hasta que sea confirmado de forma independiente.

El artículo experimental es Attila J. Krasznahorkay, M. Csatlós, …, Zs. Vajta, “Observation of Anomalous Internal Pair Creation in 8Be: A Possible Signature of a Light, Neutral Boson,” Phys. Rev. Lett. 116: 042501 (26 Jan 2016), doi:10.1103/PhysRevLett.116.042501, arXiv:1504.01527 [nucl-ex]; la propuesta de que no es un fotón oscuro sino un bosón protófugo es de Jonathan L. Feng, Bartosz Fornal, Philip Tanedo, “Evidence for a Protophobic Fifth Force from 8Be Nuclear Transitions,”arXiv:1604.07411 [hep-ph].

Me he enterado gracias a Edwin Cartlidge, “Has a Hungarian physics lab found a fifth force of nature?” News, Nature (25 May 2016), doi: 10.1038/nature.2016.19957.

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En las colisiones protón contra Li-7 se obtiene un núcleo de Be-8 excitado que se desintegra en el estado fundamental del Be-8 junto a la emisión de par electrón-positrón. Para ángulos de desintegración mayores de 140º se observa un claro exceso que apunta a que junto al Be-8 también se emite una nueva partícula X que también se desintegra en un par electrón-positrón. Dicha partícula debe ser un bosón con masa.

¿Qué nuevo bosón puede explicar el exceso observado? Lo más obvio es un fotón oscuro(dark photon γ’) que daría lugar a una nueva interacción fundamental con simetría gauge U(1). Sin embargo, este fotón debería interaccionar con los quarks y con los protones, algo que no ha sido observado. Por ello, Philip Tanedo y sus colegas opinan que se trata de unbosón protófugo (protophobic X boson), cuyo acoplo a los quarks y los protones es muy débil. Gracias a ello se explica que no haya sido observado. Por supuesto, en los próximos meses se publicarán muchas otras explicaciones.

La clave de la confirmación de la anomalía está en el experimento DarkLight del Laboratorio Jefferson cuya segunda fase buscará fotones oscuros con masas entre 10 y 100 MeV. Se prestará mucha atención a la región alrededor de 17 MeV. Quizás en menos de un año publique sus resultados en esta región. Por otro lado, en el LHC será muy difícil buscar un bosón con una masa tan pequeña.

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Por cierto, la colaboración DarkLight pretender buscar señales de un fotón oscuro en colisiones electrón contra protón. Usa el haz de electrones a 100 MeV con una intensidad de 5 mA del Laboratorio Jefferson. La fase I del experimento está tomando datos y debería publicar sus primeros resultados durante el año 2016. Lo más interesante será la fase II que se espera que alcance un inverso de attobarn de colisiones, que se iniciará el año próximo. Más información en The DarkLight Collaboration, “The DarkLight Experiment: A Precision Search for New Physics at Low Energies,” arXiv:1412.4717 [physics.ins-det].

En resumen, por ahora solo tenemos indicios. Todos deseamos que se confirmen (los fotones oscuros son una predicción de las teorías de gran unificación y de la teoría de cuerdas/teoría M). Pero por ahora debemos ser muy cautos.

Fuente

Acerca de A. Arrieta

Físico egresado de la Universidad de Córdoba con sede en la Ciudad de Montería. Magister en Física de la Universidad Nacional de Colombia con sede en la ciudad de Medellín. Docente del Instituto Tecnológico Metropolitano (ITM) y docente adscrito a la Secretaría de Educación de Medellín. "Amarrar el conocimiento no te hace más sabio, en cambio compartirlo te hace más útil a la sociedad, trascender y no morir para siempre"
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