Las fuerzas misteriosas pueden ser un tropo confiable en la ciencia ficción, pero en realidad, los físicos han estado de acuerdo durante mucho tiempo en que todas las interacciones entre objetos surgen evidentemente de solo cuatro fuerzas fundamentales. Sin embargo, eso no les ha impedido buscar ardientemente una quinta fuerza fundamental adicional, aún desconocida. El descubrimiento de tal fuerza podría resolver algunas de las mayores preguntas abiertas en la física actual, desde la naturaleza de la energía oscura hasta las diferencias aparentemente irreconciliables entre la mecánica cuántica y la relatividad general. Ahora, un experimento reciente llevado a cabo en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) ofrece nuevos indicios sobre el posible carácter de una quinta fuerza. Una colaboración internacional de investigadores utilizó neutrones y un cristal de silicio para establecer nuevos límites en la fuerza de una potencial quinta fuerza fundamental a escalas atómicas. Publicado en Science en septiembre, el estudio también incluye mediciones de la estructura precisa tanto de los cristales de silicio como de los propios neutrones.
“Este trabajo de búsquedas de ‘quinta fuerza’ en realidad se extiende a toda la escala de observación humana”, dice el físico del NIST Benjamin Heacock, autor principal del estudio. Debido a que diferentes teorías predicen diferentes propiedades de la quinta fuerza, dice, los físicos han buscado sus efectos sutiles en todo, desde estudios de objetos astronómicos como galaxias hasta los minúsculos movimientos de instrumentos microscópicos hechos a medida. Sin embargo, hasta ahora, todas las búsquedas han resultado vacías.
“Hay una razón para pensar que nos falta algo”, señala Eric Adelberger, físico de la Universidad de Washington que no participó en el estudio. Su propio equipo ha buscado previamente algunas de las nuevas fuerzas propuestas y, con gran certeza experimental, no encontró nada en absoluto. En un trabajo reconocido en 2021 con un Breakthrough Prize, concluyeron que la quinta fuerza debe ser mucho más débil de lo que predijeron algunas teorías, o que simplemente no existe. El experimento NIST sigue una idea similar pero utiliza una técnica experimental novedosa. “El objetivo desde la perspectiva experimentalista es avanzar en la limitación [the strength of] nuevas fuerzas, donde sea que el experimento pueda hacerlo, y para nosotros eso está en la escala atómica ”, dice Heacock.
Medir las interacciones relevantes a tales escalas es un desafío único, según Adelberger, en parte porque en el reino atómico un objeto típico es aproximadamente un millón de veces más pequeño que el ancho de un cabello humano promedio. “Tienes que preguntarte, ¿cuánta materia puedes obtener dentro de un pequeño volumen asociado con esa escala de longitud? Es absolutamente diminuto ”, dice. E incluso la más mínima influencia de otras fuerzas conocidas, como el electromagnetismo, puede frustrar fácilmente las delicadas mediciones. Para resolver ese problema, el equipo del NIST se basó en los neutrones, las partículas subatómicas con carga neutra que generalmente se encuentran en los núcleos atómicos, ya que los neutrones apenas se mueven por los efectos electromagnéticos.
Además, las partículas aún más pequeñas que forman los neutrones, llamadas quarks, están “pegadas” juntas tan intensamente por la fuerte interacción (una de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas) que es extremadamente difícil perturbarlas físicamente. “La fuerte interacción que mantiene unidos a los quarks en un neutrón es locamente fuerte, por lo que el neutrón casi no se distorsiona cuando se acerca a [other] importa ”, explica W. Michael Snow, físico de la Universidad de Indiana que tampoco participó en el nuevo experimento. En consecuencia, estudiar el comportamiento de los neutrones es adecuado para buscar nuevas fuerzas porque, para empezar, no hay muchos efectos fácilmente medibles que influyan en estas partículas subatómicas. Uno de los coautores del nuevo estudio, Albert Young, físico de la Universidad Estatal de Carolina del Norte, lo expresa de manera simple: “En la actualidad, en nuestro [atomic] escala de longitud, tipo de regla de los neutrones “.
En su experimento, los investigadores observaron neutrones que habían viajado a través de un cristal de silicio casi perfecto, especialmente mecanizado, fabricado por colaboradores del Centro RIKEN de Fotónica Avanzada en Japón. “El silicio es un material común, pero el mecanizado de precisión del silicio es algo muy difícil”, subraya Michael Huber, físico del NIST y otro de los coautores del estudio. Dentro de este cristal perfecto, protegido de la luz, el calor, las vibraciones y otras fuentes de ruido externo gracias a las instalaciones especiales del NIST, los átomos de silicio están dispuestos en patrones predecibles en forma de cuadrícula.
Los neutrones que viajaban a través de esa rejilla chocaron con algunos átomos de silicio y eludieron a otros. Sin embargo, como el viaje de los neutrones tuvo lugar a la escala atómica, donde las leyes de la mecánica cuántica dictan que todas las partículas se comportan como ondas, sus colisiones con átomos de silicio fueron similares a los rompedores que chocan contra una costa salpicada de grandes rocas espaciadas uniformemente. Cuando un neutrón chocó contra un átomo de silicio, esta interacción creó algo así como una onda de neutrones. Esta onda se superpuso con otras ondas de neutrones que se originaban cerca de átomos de silicio adyacentes, lo que resultó en un patrón de interferencia de ondas no muy diferente al agua agitada y agitada a lo largo de una costa rocosa.
Lo que es más importante, a través de un diseño experimental inteligente, los investigadores se aseguraron de que algunas de las “ondas” de neutrones que lamían las “orillas” de los átomos de silicio se superpusieran de una manera muy específica que dio como resultado las llamadas oscilaciones de Pendellösung. Estas oscilaciones son más o menos análogas a los latidos, y es mejor considerarlas como efectos auditivos pulsantes, alternos, bajos y altos, que ocurren cuando dos ondas sonoras casi idénticas se reproducen simultáneamente. En el caso de este nuevo experimento, son similares a un patrón de ondulación distintivo pero difícil de detectar dentro de las ondas de neutrones que se rompen a lo largo de la costa de silicio. “Aunque la interferencia de Pendellösung se descubrió y demostró hace mucho tiempo, en la década de 1960 en el MIT, rara vez se usa y la mayoría de los experimentos no son sensibles a ella”, explica Huber.
Su equipo analizó cuidadosamente estas ondas especiales, buscando detalles clave sobre las “rocas” de silicio y las ondas de neutrones que chocaban contra ellas. Era como si pudieran decir cuánta “agua” transportaba cada “ola”, si alguna “roca” se movió en la colisión y más. Es importante destacar que, si hubiera estado en juego una interacción de quinta fuerza a escala atómica, los detalles del patrón de interferencia de la onda de neutrones habrían revelado su presencia, al igual que las ondas en el oleaje pueden seguir el contorno de un muro marino sumergido. Aunque los investigadores no encontraron signos de una quinta fuerza, sí determinaron un nuevo límite, 10 veces más estricto que antes, sobre qué tan fuerte podría ser dicha fuerza.
El equipo del NIST cree que su innovadora configuración experimental les permitirá realizar mediciones aún más precisas en el futuro. Ya lograron, por ejemplo, inferir detalles de la disposición de los quarks dentro de un neutrón, así como algunos movimientos precisos de los átomos de silicio, lo que podría resultar útil para la fabricación de electrónica afinada. Sin embargo, su búsqueda para restringir la fuerza de la quinta fuerza, una tarea que logran combinando múltiples mediciones separadas de propiedades de neutrones bajo ciertos supuestos, sigue siendo la parte más prometedora y más difícil de su trabajo. “Podemos y debemos seguir buscando [for the fifth force]”, Dice Yoshio Kamiya, un físico de la Universidad de Tokio que no participó en el nuevo estudio. “Este es solo un paso”.
Adelberger está de acuerdo y está ansioso por ver nuevos resultados de la siguiente fase de experimentación. “Hay muchas cosas que deben realizarse para obtener este tipo de resultado”, dice. “Es un efecto minúsculo y los investigadores deben seguir teniendo en cuenta todos los demás efectos minúsculos”. Tanto Kamiya como Adelberger piensan que hay espacio para el debate sobre la fuerza con la que el nuevo trabajo debería hacer que los físicos reconsideren sus teorías sobre la fuerza de una posible quinta fuerza. Según el estudio actual, dice Adelberger, quedan demasiadas fuentes potenciales de error; incluso si el equipo del NIST hubiera encontrado evidencia positiva de una nueva fuerza, dice, no podría considerarse verdaderamente definitiva.
Heacock señala que su equipo ya tiene ideas para avanzar en su trabajo, por ejemplo, utilizando cristales de germanio en lugar de silicio, en los que los átomos están dispuestos en diferentes estructuras que podrían ser aún más ventajosas para observaciones precisas de la interferencia de neutrones. Otro objetivo es ampliar seriamente el catálogo disponible de medidas precisas a escala atómica para que todos los físicos cazadores de la quinta fuerza consulten en su propio trabajo independiente. Idealmente, señala Heacock, las mediciones en el nuevo estudio son solo las primeras que abren la puerta a las docenas más por venir. “Creo que cualquier experimento eventualmente chocará contra una pared, pero también creo que estamos bastante lejos de eso”, dice.