¿Realmente se ha descubierto la 'quinta fuerza de la naturaleza'?

Un experimento con partículas llamadas muones ha arrojado resultados que discrepan con la actual teoría física del universo, el Modelo Estándar.

El hallazgo del laboratorio Fermilab de Batavia (Chicago), publicado en la revista Physical Review Letters, se publicitó como el descubrimiento de una “quinta fuerza de la naturaleza”. 

En realidad, la discrepancia se podría explicar con la existencia de partículas desconocidas, posiblemente de materia oscura. La existencia de una fuerza (o más de una), distinta a las cuatro conocidas, es otra explicación posible pero menos probable. 

Tampoco es seguro que haya discrepancia. Datos experimentales y predicciones teóricas deben mejorarse. Sólo con números más precisos se confirmará si la diferencia persiste.  

¿Qué discrepancia se ha observado?

El protagonista del experimento es el muón, una partícula de la familia del electrón. Los muones se encuentran en los rayos cósmicos que golpean la Tierra constantemente, producidos por eventos cósmicos. 

Estas partículas tienen un minúsculo campo magnético, que se puede imaginar como la aguja de una brújula. Las características de este campo dependen de las interacciones de los muones con otras partículas, que se forman y se aniquilan continuamente en el vacío que los rodea. Estas interacciones se reflejan en un parámetro, llamado anomalía giromagnética.

El último experimento (Muon g-2) ha medido este número, hallando un resultado distinto al que prevé la teoría. Esto sugiere que, en esa “nube de partículas” que rodea el muón, podría haber alguna desconocida, que incluso podría estar relacionada con una fuerza nueva. 

¿Cómo se ha observado?

Los primeros indicios de la discrepancia se obtuvieron en 2001, en un experimento en Nueva York. El enorme anillo metálico de la máquina experimental de Nueva York se transportó en barco y camión hasta el FermiLab. 

En Muon g-2 hay dos novedades: la anomalía giromagnética se puede medir de forma más precisa, a la vez que su valor teórico se ha estimado mejor. Y los dos números siguen sin coincidir.

“Se ha equipado la estructura con imanes mejorados, porque la tecnología ha avanzado”, explica Giovanni Cantatore, investigador de la Universidad de Trieste y del Instituto Nacional de Física Nuclear italiano (INFN), implicado en el experimento.

En FermiLab se produce artificialmente un haz de muones, que se inyecta en el anillo. Mientras corren en círculo, las “agujas magnéticas” de los muones se portan como unas peonzas, cuyo eje da vueltas a la vez que giran (precesión). De la medida de este movimiento se puede sacar la anomalía giromagnética. El movimiento se registra indirectamente, deduciéndolo de las trayectorias de las partículas que los muones emiten cuando se desintegran. 

En cuando al valor teórico de la anomalía giromagnética, su estimación actualizada se publicó el año pasado en un artículo firmado por más de 100 autores. [Para estimarlo] “tienes que calcular todas las interacciones posibles de las partículas con los muones”, explica Pere Masjuan, investigador del Institut de Física de les Altes Energies (IFAE-UAB) y coautor de ese trabajo. 

¿De confirmarse, qué implicaría?

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“Su la discrepancia se confirmara, eso implicaría que el catálogo de interacciones de los muones con el baño de partículas cuántico no es suficiente y hay que considerar nuevas partículas o fuerzas”, afirma Cantatore. La nueva partícula podría ser un componente de la materia oscura. Esta es una clase de materia de composición desconocida, cuya existencia sólo se detecta por su efecto en el movimiento de las galaxias. Otra posibilidad es que la nueva partícula estuviera asociada con una nueva fuerza (de la misma forma que los fotones están asociados con la fuerza electromagnética). Cantatore lo ve improbable. “Cualquier nueva fuerza debería cumplir con unas condiciones muy restrictivas: ser muy débil y actuar en distancias muy pequeñas”, explica. 

¿Qué falta para confirmarla? 

Los científicos de Muon g-2 aún no han analizado una cantidad de datos suficientes para confirmar el descubrimiento. Ese objetivo se alcanzará en unos tres años. Tampoco el cálculo teórico está exento de incertidumbres, observa Bruce Schumm, físico de la Universidad de California en Santa Cruz, no implicado en el experimento. Este se basa en aproximaciones que podrían viciar el resultado. Falta desarrollar métodos que apuntalen la estimación teórica.