Investigación arroja nueva luz sobre la posible “quinta fuerza de la naturaleza”

En un gran avance para el campo de la física de partículas, Larry Hunter y sus colegas de Amherst y de la Universidad de Texas en Austin han establecido nuevos límites a lo que los científicos llaman “interacción de larga distancia espín-espín” entre las partículas atómicas. Estas interacciones han sido propuestas por los físicos teóricos pero aún no se han observado. Su observación constituiría el descubrimiento de una “quinta fuerza de la naturaleza” (además de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas: la gravedad, la electromagnética y las fuerzas nucleares débil y fuerte), y sugiere la existencia de nuevas partículas, más allá de las que el modelo estándar de la la física de partículas describe actualmente.

La imagen representa la interacción de larga distancia espín-espín (líneas azules onduladas) en la que el detector de espín en la superficie terrestre interactúa con geoelectrónes (puntos rojos) en la profundidad del manto de la Tierra. Las flechas en los geoelectrónes indican sus orientaciones de espín, opuestas a las de las líneas del campo magnético de la Tierra (arcos blancos). Ilustración: Marc Airhart (University of Texas at Austin) y Steve Jacobsen (Northwestern University).

Cada partícula fundamental (cada electrón, neutrón y protón), explica Hunter, tiene la propiedad intrínseca atómica de “espín”. Del espín se puede pensar como en un vector – una flecha que apunta en una dirección particular. Al igual que toda la materia, la Tierra y su manto, una capa geológica gruesa situada entre la corteza externa delgada y el núcleo central – están hechas de átomos. Los átomos, a su vez, están compuestos por electrones, neutrones y protones que tienen espín. El campo magnético de la Tierra hace que el espín de algunos de los electrones en los minerales del manto se polaricen un poco, es decir, que la dirección de su espín ya no sea completamente aleatoria, sino que tenga una orientación neta.
Los nuevos límites se han establecido teniendo en cuenta la interacción entre los espines de los fermiones de laboratorio (electrones, neutrones y protones) y los espines de los electrones dentro de la Tierra. Para hacer posible este estudio, los autores crearon el primer mapa completo de la polarización de electrones dentro de la Tierra, inducida por el campo geomagnético del planeta.
Hasta ahora, ningún experimento ha sido capaz de detectar cualquier interacción. Sin embargo, en el estudio de Hunter, los investigadores describen cómo fueron capaces de inferir que las llamadas fuerzas espín-espín, si es que existen, deben ser muy débiles, quizá un millón de veces más débiles que la atracción gravitacional entre las partículas. En este nivel, los experimentos pueden limitar “la gravedad de torsión” – una extensión teórica propuesta de la teoría de la Relatividad General de Einstein. Dada la alta sensibilidad de la técnica que Hunter y su equipo han utilizado, ésta puede proporcionar un camino útil para futuros experimentos que refinan la búsqueda de una quinta fuerza. Si se encuentra una fuerza de espín-espín de largo alcance, no sólo se revolucionaría la física de partículas, sino que eventualmente los geofísicos contarían con una nueva herramienta que les permita estudiar directamente los electrones con espín polarizado dentro de la Tierra.
Si en futuros experimentos se descubre la interacción de larga distancia espín-espín, los geocientíficos pueden llegar a utilizar dicha información para comprender mejor la geoquímica y la geofísica del interior del planeta, concluyeron los investigadores.
El estudio se publica en la revista Science.
Fuente: Amherst College