La quinta fuerza ya no tiene dónde esconderse

Por supuesto, se necesitarán más datos para confirmar estos resultados, pero si son correctos será el principio de una auténtica revolución de la física, que por primera vez podrá ir más allá del Modelo Estándar, la gran teoría que incluye a todas las partículas conocidas y las fuerzas que las gobiernan, pero que deja fuera cuestiones tan importantes como la materia y la energía oscuras.

Desde hace medio siglo, los físicos estudian el funcionamiento del Universo con el Modelo Estándar, que describe la realidad a través de las interacciones de las distintas partículas por medio de 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).

Sin embargo, hasta ahora la teoría sólo ha sido capaz de describir por completo tres de las cuatro fuerzas: 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, a eso se une ahora la posible existencia de una 'quinta fuerza', una que ni siquiera estaba prevista en el Modelo Estándar. Parece claro, pues, que una 'nueva física' nos espera a la vuelta de la esquina.

Durante los últimos años, algunos científicos han encontrado indicios de la existencia de esa quinta fuerza, aunque ninguno de los experimentos que han tratado de encontrarla y determinar sus características ha tenido éxito. «Realmente -asegura Brendan Cassey, científico principal del Fermilab y coautor del estudio- estamos explorando un nuevo territorio. Estamos determinando el momento magnético del muón con una precisión mayor que nunca antes».

Los muones son partículas fundamentales similares a los electrones pero unas 200 veces más masivas. Al igual que los electrones, los muones tienen un diminuto imán interno que, en presencia de un campo magnético, se tambalea de forma similar al eje de una peonza. La velocidad de ese tambaleo en un campo magnético depende del momento magnético del muón, típicamente representado por la letra g; en el nivel más simple, la teoría predice que g debería ser igual a 2. Pero en ocasiones g tiene un valor opuesto, menos 2.

La diferencia entre g igual a 2 o igual a menos 2 se puede atribuir a las interacciones del muón con las partículas de la llamada 'espuma cuántica' que lo rodea. Estas partículas parpadean dentro y fuera de la existencia y, como 'compañeros de baile' subatómicos, toman la 'mano' del muón y cambian la forma en que éste interactúa con el campo magnético.

El Modelo Estándar, por su parte, incorpora todas las partículas conocidas y que podrían hacer de 'pareja de baile' del muón, y predice con exactitud cómo cambia la espuma cuántica g. Pero podría haber más de lo que parece. Los físicos, de hecho, están realmente entusiasmados con la posible existencia de partículas aún no descubiertas que contribuyen al valor de g-2 y que abrirían la puerta a una física totalmente nueva y 'más allá' del Modelo Estándar.

En concreto, los resultados mostraron que los muones 'se tambalearon' más rápido de lo previsto en el Modelo Estándar. Y eso, dicen los investigadores, podría deberse a la acción de una quinta fuerza desconocida.

En palabras de Graziano Venanzoni, uno de los investigadores principales del proyecto, «Creemos que podría haber otra fuerza, algo de lo que no somos conscientes ahora, algo a lo que llamamos 'quinta fuerza', que aún no conocemos, pero que debería ser importante porque nos dice algo nuevo sobre el Universo».

La medida de g-2 llevada a cabo por los investigadores corresponde a una precisión de 0,20 partes por millón, mucho más de lo que nadie había conseguido hasta el momento. Para ello, el equipo aceleró muones a casi la velocidad de la luz a lo largo de un anillo de 15 metros de diámetro. «Esta medición -dijo Peter Winter, co-portavoz de la colaboración Muon g-2- es un logro experimental increíble. Reducir la incertidumbre sistemática (la que es causada por imperfecciones de los propios experimentos) a este nivel es un gran problema y es algo que no esperábamos lograr tan pronto».

Con todo, y a pesar de que la evidencia es fuerte, no puede considerarse aún como una prueba concluyente de la existencia de una quinta fuerza. Los resultados recién anunciados se basan en otros hechos públicos por el mismo equipo en 2021, y aunque los refuerzan y amplían, no pueden considerarse aún definitivos.

Los investigadores calculan que serán necesarios otros dos años para tener todos los datos que necesitan para hacer un anuncio formal. Demasiado tiempo, ya que los físicos del Gran Colisionador de Hadrones, LHC, podrían adelantarse y dar a Europa el triunfo en esta auténtica carrera científica.

Según ha asegurado a la BBC Mitesh Patel, del Imperial College de Londres y uno de los físicos que intentan desde hace años ir con el LHC más allá de la teoría actual, «la medición de comportamientos que no concuerdan con las predicciones del Modelo Estándar es el santo grial de la física de partículas. Sería el pistoletazo de salida de una revolución en nuestra comprensión porque el modelo ha resistido todas las pruebas experimentales durante más de 50 años».

Si los datos finalmente se confirman, estaríamos ante uno de los mayores avances científicos desde las teorías de la relatividad de Einstein. Una quinta fuerza, de hecho, y cualquier nueva partícula asociada a ella, no formaría parte del Modelo Estándar y abriría una puerta que podría llevarnos a resolver los misterios que aún no tienen respuesta.

¿Por qué el Universo se sigue expandiendo cada vez más deprisa en vez de desacelerar? ¿Es la energía oscura la responsable de esa aceleración? Y si es así, ¿cómo funciona? ¿Y qué es esa sustancia desconocida que llamamos materia oscura, cinco veces más abundante que la materia 'normal' y sin la cual las galaxias no existirían? Preguntas todas que atormentan a los físicos y que el Modelo Estándar no puede responder...