Tendencias Científicas
El experimento NA64 en el CERN. Foto: CERN.
En 2015, un equipo de científicos detectó un fallo inesperado, o "anomalía", en una transición nuclear que podría explicarse por la intervención de una partícula desconocida.
Aproximadamente un año después, los teóricos sugirieron que la nueva partícula podría ser la evidencia de una nueva fuerza fundamental de la naturaleza.
En física de partículas, se denomina fuerza fundamental a cada una de las clases de interacciones entre las partículas subatómicas: la fuerza nuclear fuerte, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear débil y la fuerza gravitatoria.
La posibilidad de que existiera una quinta fuerza fundamental en la naturaleza provocó, entre otros estudios, una búsqueda directa de la partícula desconocida por la colaboración NA64 en el seno de la Organización Europea para la Investigación nuclear, más conocida como CERN.
Segundo indicio
Un nuevo artículo del mismo equipo, dirigido por Atila Krasznahorkay en el instituto Atomki en Hungría, ha descubierto una segunda anomalía, en una transición nuclear similar, que también podría explicarse por la misma partícula hipotética.
La primera anomalía detectada por el equipo de Krasznahorkay se observó en una transición de los núcleos de berilio-8.
Esta transición emite un fotón virtual de alta energía que se transforma en un electrón y su contraparte de antimateria, un positrón.
Al examinar el número de pares de electrones-positrones en diferentes ángulos de separación, los investigadores encontraron un excedente inesperado de pares en un ángulo de separación de aproximadamente 140º.
El problema es que la teoría predice que el número de pares disminuye al aumentar el ángulo de separación, sin exceso en un ángulo particular.
Krasznahorkay y sus colegas razonaron que el exceso podría ser interpretado por la producción de una nueva partícula con una masa de aproximadamente 17 millones de electronvoltios (MeV), la partícula "X17", que se transformaría en un par electrón-positrón.
Nueva anomalía
La última anomalía observada por el equipo de Krasznahorkay, en un artículo que aún no se ha revisado por pares, también tiene la forma de un exceso de pares de electrones-positrones, pero esta vez el exceso es de una transición de núcleos de helio-4.
"En este caso, el exceso se produce en un ángulo de 115º, pero también se puede interpretar mediante la intervención de una partícula con una masa de aproximadamente 17 MeV", explicó Krasznahorkay. "El resultado respalda nuestro resultado anterior y la posible existencia de una nueva partícula elemental", agrega.
Sergei Gninenko, portavoz de la colaboración NA64 en el CERN, que no ha encontrado signos de X17 en su búsqueda directa, precisa: “las anomalías de Atomki podrían deberse a un efecto experimental, un efecto de física nuclear o algo completamente nuevo, como una nueva partícula. Para probar la hipótesis de que son causados por una nueva partícula, es crucial un análisis teórico detallado de la compatibilidad entre los resultados de berilio-8 y helio-4, así como la confirmación experimental independiente”.
La colaboración NA64 busca X17 disparando un rayo de decenas de miles de millones de electrones desde el acelerador Super Proton Synchrotron hacia un objetivo fijo.
Si existiera X17, las interacciones entre los electrones y los núcleos producirían esta partícula, que luego se transformaría en un par electrón-positrón.
Aproximadamente un año después, los teóricos sugirieron que la nueva partícula podría ser la evidencia de una nueva fuerza fundamental de la naturaleza.
En física de partículas, se denomina fuerza fundamental a cada una de las clases de interacciones entre las partículas subatómicas: la fuerza nuclear fuerte, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear débil y la fuerza gravitatoria.
La posibilidad de que existiera una quinta fuerza fundamental en la naturaleza provocó, entre otros estudios, una búsqueda directa de la partícula desconocida por la colaboración NA64 en el seno de la Organización Europea para la Investigación nuclear, más conocida como CERN.
Segundo indicio
Un nuevo artículo del mismo equipo, dirigido por Atila Krasznahorkay en el instituto Atomki en Hungría, ha descubierto una segunda anomalía, en una transición nuclear similar, que también podría explicarse por la misma partícula hipotética.
La primera anomalía detectada por el equipo de Krasznahorkay se observó en una transición de los núcleos de berilio-8.
Esta transición emite un fotón virtual de alta energía que se transforma en un electrón y su contraparte de antimateria, un positrón.
Al examinar el número de pares de electrones-positrones en diferentes ángulos de separación, los investigadores encontraron un excedente inesperado de pares en un ángulo de separación de aproximadamente 140º.
El problema es que la teoría predice que el número de pares disminuye al aumentar el ángulo de separación, sin exceso en un ángulo particular.
Krasznahorkay y sus colegas razonaron que el exceso podría ser interpretado por la producción de una nueva partícula con una masa de aproximadamente 17 millones de electronvoltios (MeV), la partícula "X17", que se transformaría en un par electrón-positrón.
Nueva anomalía
La última anomalía observada por el equipo de Krasznahorkay, en un artículo que aún no se ha revisado por pares, también tiene la forma de un exceso de pares de electrones-positrones, pero esta vez el exceso es de una transición de núcleos de helio-4.
"En este caso, el exceso se produce en un ángulo de 115º, pero también se puede interpretar mediante la intervención de una partícula con una masa de aproximadamente 17 MeV", explicó Krasznahorkay. "El resultado respalda nuestro resultado anterior y la posible existencia de una nueva partícula elemental", agrega.
Sergei Gninenko, portavoz de la colaboración NA64 en el CERN, que no ha encontrado signos de X17 en su búsqueda directa, precisa: “las anomalías de Atomki podrían deberse a un efecto experimental, un efecto de física nuclear o algo completamente nuevo, como una nueva partícula. Para probar la hipótesis de que son causados por una nueva partícula, es crucial un análisis teórico detallado de la compatibilidad entre los resultados de berilio-8 y helio-4, así como la confirmación experimental independiente”.
La colaboración NA64 busca X17 disparando un rayo de decenas de miles de millones de electrones desde el acelerador Super Proton Synchrotron hacia un objetivo fijo.
Si existiera X17, las interacciones entre los electrones y los núcleos producirían esta partícula, que luego se transformaría en un par electrón-positrón.
Sin indicios
Hasta ahora, la colaboración no ha encontrado indicios de que tales eventos ocurrieron, pero los datos obtenidos les permitieron excluir parte de los posibles valores para la fuerza de la interacción entre X17 y un electrón.
El equipo ahora está actualizando su detector para la próxima ronda de búsquedas, que se espera que sean más desafiantes pero al mismo tiempo más emocionantes, dice Gninenko.
Entre otros experimentos que también podrían buscar X17 en búsquedas directas está el experimento LHCb .
Jesse Thaler, físico teórico del Instituto de Tecnología de Massachusetts, dice: “Para 2023, el experimento LHCb debería ser capaz de hacer una medición definitiva para confirmar o refutar la interpretación de las anomalías de Atomki como resultado de una nueva fuerza fundamental. Mientras tanto, los experimentos como NA64 pueden continuar reduciendo los posibles valores de las propiedades hipotéticas de las partículas, y cada nuevo análisis trae consigo la posibilidad (aunque remota) de descubrimiento".
Hasta ahora, la colaboración no ha encontrado indicios de que tales eventos ocurrieron, pero los datos obtenidos les permitieron excluir parte de los posibles valores para la fuerza de la interacción entre X17 y un electrón.
El equipo ahora está actualizando su detector para la próxima ronda de búsquedas, que se espera que sean más desafiantes pero al mismo tiempo más emocionantes, dice Gninenko.
Entre otros experimentos que también podrían buscar X17 en búsquedas directas está el experimento LHCb .
Jesse Thaler, físico teórico del Instituto de Tecnología de Massachusetts, dice: “Para 2023, el experimento LHCb debería ser capaz de hacer una medición definitiva para confirmar o refutar la interpretación de las anomalías de Atomki como resultado de una nueva fuerza fundamental. Mientras tanto, los experimentos como NA64 pueden continuar reduciendo los posibles valores de las propiedades hipotéticas de las partículas, y cada nuevo análisis trae consigo la posibilidad (aunque remota) de descubrimiento".
Referencia
New evidence supporting the existence of the hypothetic X17 particle. A.J. Krasznahorkay et al. arXiv:1910.10459 [nucl-ex]
New evidence supporting the existence of the hypothetic X17 particle. A.J. Krasznahorkay et al. arXiv:1910.10459 [nucl-ex]
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Los electrones abren un nuevo mundo a la física cuántica
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