Nuevas pistas sobre una 'quinta fuerza' de la Naturaleza

El Modelo Estándar , la gran teoría que predice la existencia de todas las partículas que componen la materia y las leyes que las gobiernan, describe las interacciones entre partículas con cuatro fuerzas fundamentales : electromagnetismo, gravedad, fuerza nuclear fuerte , responsable de la cohesión de los núcleos atómicos, y fuerza nuclear débil, de la que dependen todas las desintegraciones radiactivas que se dan en la naturaleza.

Durante los últimos años, sin embargo, algunos científicos han encontrado indicios de la existencia de una 'quinta fuerza' no predicha por el Modelo Estándar. Numerosos experimentos han tratado, hasta ahora sin éxito, de encontrar esa fuerza y determinar sus características.

Ahora, los investigadores del NIST se han centrado en el comportamiento de los neutrones (que junto a los protones forman los núcleos atómicos) en el interior de estructuras de cristales de silicio, y los han estudiado con una nueva y refinada técnica que les ha permitido obtener tres resultados extraordinarios: la primera medición en 20 años de una nueva propiedad del neutrón; la medición más precisa hasta el momento de los efectos de las vibraciones relacionadas con el calor en los cristales de silicio; y el rango de acción y los límites de esa posible quinta fuerza más allá de las predicciones del Modelo Estándar. Los resultados de la investigación se publican hoy en ' Science '.

Normalmente, cuando se trata de obtener información sobre materiales cristalinos a escala atómica, los científicos suelen dirigir hacia ellos un haz de partículas ( rayos X, electrones o neutrones ). Midiendo después los ángulos, la intensidad y los patrones del haz a medida que este rebota o atraviesa los diferentes planos de la compleja estructura cristalina, los investigadores consiguen medir y establecer muchas de sus propiedades.

En el caso de los cristales de silicio, la información así obtenida es de vital importancia tanto para caracterizar las propiedades electrónicas, mecánicas y magnéticas de los cristales , que se utilizan como componentes de microchips, como para diseñar nuevos materiales que serán usados en las próximas generaciones de dispositivos, incluidos los ordenadores cuánticos . De hecho, la continua reducción de tamaño de los chips, que actualmente tienen ya apenas unos pocos nanómetros, obliga a los investigadores a profundizar más y más en ese conocimiento, ya que en esas diminutas escalas cada vez son más importantes los extraños efectos predichos por la Mecánica Cuántica.

«Una comprensión enormemente mejorada de la estructura cristalina del silicio, el sustrato 'universal' o material de base sobre el que se construye todo -asegura Michael Huber , investigador principal del NIST en el estudio-, será crucial para comprender la naturaleza de los componentes que operan cerca del punto en el que la precisión de las mediciones está limitada por los efectos cuánticos».

Como todos los objetos cuánticos, en efecto, los neutrones tienen propiedades que les hacen comportarse, a la vez, como partículas y ondas. A medida que un neutrón viaja a través del cristal, forma ondas estacionarias (como una cuerda de guitarra pulsada) tanto en el medio como en la parte superior de las filas u hojas de átomos de la estructura cristalina, llamados planos de Bragg . Cuando las ondas de cada una de las dos rutas se cruzan, o 'interfieren', en el lenguaje de la física, crean sutiles patrones, llamados ' oscilaciones de péndulo ' que proporcionan información sobre las fuerzas que experimentan los neutrones dentro del cristal.

«Imagine dos guitarras idénticas -explica Huber-. Tóquelas de la misma manera, y cuando las cuerdas vibren, conduzca una por una carretera con badenes, es decir, a lo largo de los planos de átomos en la estructura cristalina, y lleve a la otra por una carretera de la misma longitud pero sin los badenes, lo que sería como moverse entre los planos de la estructura. La comparación de los sonidos de ambas guitarras nos dice algo sobre la naturaleza de los badenes: ¿cómo son de grandes, cómo de pronunciados, tienen formas interesantes?».

La investigación, que se llevó a cabo en el Centro NIST de Investigación de Neutrones (NCNR) en Gaithersburg, Maryland, en colaboración con investigadores de Japón y Canadá, permitió mediciones cuatro veces más precisas de la estructura de los cristales de silicio de las que se habían conseguido hasta el momento.

En uno de sus sorprendentes resultados, los investigadores consiguieron medir el ' radio de carga ' eléctrico del neutrón con la mayor precisión conseguida hasta ahora. Como indica su propio nombre, los neutrones son eléctricamente neutros. Pero cada neutrón, a su vez, está formado por tres partículas cargadas, los quarks , cuyas propiedades eléctricas no están distribuidas de manera uniforme.

Como resultado, la carga predominantemente negativa de un tipo de quark tiende a ubicarse hacia la parte exterior del neutrón, mientras que la carga neta positiva se ubica hacia el centro. La distancia entre esas dos concentraciones es el 'radio de carga'. Esa dimensión, importante para la física fundamental, se ha medido en otros experimentos similares, pero sus resultados difieren significativamente. Los nuevos datos, sin embargo, no se ven afectados por los factores que se cree que llevaron a estas discrepancias.

Ser capaces de medir las 'oscilaciones de péndulo' en un entorno con carga eléctrica brindó a los científicos una forma única de medir el radio de carga. «Cuando el neutrón está en el cristal -explica por su parte Benjamin Heacock , primer formante del estudio- está bien dentro de la nube eléctrica atómica. Allí, debido a que las distancias entre cargas son tan pequeñas, los campos eléctricos interatómicos son enormes, del orden de cien millones de voltios por centímetro. Debido a ese campo muy, muy grande, nuestra técnica es sensible al hecho de que el neutrón se comporta como una partícula compuesta esférica con un núcleo ligeramente positivo y una capa circundante ligeramente negativa».

Con todo, el resultado más llamativo de esta investigación es una nueva pista que apunta directamente a la existencia de una quinta fuerza. Como se ha dicho, el Modelo Estándar es la mejor teoría que tenemos sobre las partículas subatómicas y las fuerzas que gobiernan todas sus interacciones. Sin embargo, la teoría ofrece una explicación incompleta de cómo funciona la naturaleza, y desde hace tiempo los científicos sospechan que hay mucho más en el Universo de lo que la teoría predice.

El Modelo Estándar, por ejemplo, sólo es capaz de describir tres de las cuatro fuerzas fundamentales: la electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil. Cada una de ellas, en efecto, opera por medio de la acción de una ' partícula mensajera ', que es portadora de la unidad mínima de cada fuerza. En el caso de la fuerza electromagnética, la partícula portadora es el fotón , en el de la nuclear fuerte es el gluón y en el de la nuclear débil son los bosones W y Z , partículas todas que han sido observadas en los aceleradores modernos. Pero el Modelo Estándar aún tiene que incorporar a la gravedad en su descripción, cosa que se lleva intentando, sin éxito, desde hace décadas. Se supone que, igual que sucede con las otras fuerzas, también la gravedad debería tener su propia partícula portadora , el ' gravitón '. Pero nadie ha conseguido encontrarla por ahora. Y por si fuera poco, algunos experimentos y teorías sugieren la posible existencia de una quinta fuerza, una que no está prevista en absoluto en el Modelo Estándar.

«Generalmente -explica Heacock-, si hay un portador de fuerza, la escala de longitud sobre la que actúa es inversamente proporcional a su masa, lo que significa que sólo puede influir en otras partículas en un rango limitado. Pero el fotón, que no tiene masa, puede actuar en un rango ilimitado. Entonces, si conseguimos abarcar el rango sobre el que podría actuar, podremos también poner límites a su fuerza». Los resultados de los científicos mejoran en un factor de diez las anteriores restricciones sobre el rango de actuación de una quinta fuerza potencial. Heacock y sus colegas, en efecto sitúan el radio de acción de la quinta fuerza en una escala de longitud que va desde los 0,02 nanómetros (un nanómetro es la mil millonésima parte de un metro) y los 10 nm, lo que brinda a los 'cazadores' de la quinta fuerza un rango mucho más estrecho en el que buscar.

Los investigadores, que no se conforman con estos resultados, ya planean una nueva serie de mediciones aún más precisas, lo que podría incluso permitir que en el futuro sean ellos, y no otros equipos, los que descubran por fin esa enigmática quinta fuerza de la Naturaleza.