Primeros indicios de una nueva fuerza fundamental

Dibujo20150525 experimental angular ee pair correlations in li-7 reaction arxiv org

Físicos húngaros han publicado en Physical Review Letters los primeros indicios de una nueva fuerza fundamental. Mediada por un fotón oscuro (o un bosón protófugo) con una masa de unos 17 MeV/c² se ha observado en las desintegraciones de núcleos de berilio-8. Estos núcleos son producidos mediante colisiones de protones contra núcleos de litio-7 y se desintegran en pares electrón-positrón. La confianza estadística en la medida es de 6,8 sigmas para una partícula de 16,70 ± 0,35 (stat) ± 0,5 (sys) MeV/c².

Por supuesto, debemos ser muy cautos. Más de cinco sigmas es un descubrimiento, siempre que se observe en al menos dos experimentos (o detectores) diferentes. Hasta que el experimento DarkLight observe dicha anomalía, debemos hablar de primeros indicios aún por confirmar. Desde el año 1966 se han observado anomalías en las desintegraciones de los núcleos ligeros que han sido interpretadas como resultado de un fotón oscuro. Hasta ahora dichos indicios no habían alcanzado las cinco sigmas. Sin embargo, debemos ser muy cautos con el nuevo resultado hasta que sea confirmado de forma independiente.

El artículo experimental es Attila J. Krasznahorkay, M. Csatlós, …, Zs. Vajta, “Observation of Anomalous Internal Pair Creation in 8Be: A Possible Signature of a Light, Neutral Boson,” Phys. Rev. Lett. 116: 042501 (26 Jan 2016), doi: 10.1103/PhysRevLett.116.042501, arXiv:1504.01527 [nucl-ex]; la propuesta de que no es un fotón oscuro sino un bosón protófugo es de Jonathan L. Feng, Bartosz Fornal, …, Philip Tanedo, “Evidence for a Protophobic Fifth Force from 8Be Nuclear Transitions,” arXiv:1604.07411 [hep-ph].

Me he enterado gracias a Edwin Cartlidge, “Has a Hungarian physics lab found a fifth force of nature?” News, Nature (25 May 2016), doi: 10.1038/nature.2016.19957.

Dibujo20150525 photophobic x boson interpretation of anomaly 17 mev in be-8 decay arxiv org

En las colisiones protón contra Li-7 se obtiene un núcleo de Be-8 excitado que se desintegra en el estado fundamental del Be-8 junto a la emisión de par electrón-positrón. Para ángulos de desintegración mayores de 140º se observa un claro exceso que apunta a que junto al Be-8 también se emite una nueva partícula X que también se desintegra en un par electrón-positrón. Dicha partícula debe ser un bosón con masa.

¿Qué nuevo bosón puede explicar el exceso observado? Lo más obvio es un fotón oscuro (dark photon γ’) que daría lugar a una nueva interacción fundamental con simetría gauge U(1). Sin embargo, este fotón debería interaccionar con los quarks y con los protones, algo que no ha sido observado. Por ello, Philip Tanedo y sus colegas opinan que se trata de un bosón protófugo (protophobic X boson), cuyo acoplo a los quarks y los protones es muy débil. Gracias a ello se explica que no haya sido observado. Por supuesto, en los próximos meses se publicarán muchas otras explicaciones.

La clave de la confirmación de la anomalía está en el experimento DarkLight del Laboratorio Jefferson cuya segunda fase buscará fotones oscuros con masas entre 10 y 100 MeV. Se prestará mucha atención a la región alrededor de 17 MeV. Quizás en menos de un año publique sus resultados en esta región. Por otro lado, en el LHC será muy difícil buscar un bosón con una masa tan pequeña.

Dibujo20150525 expected five sigma limit reached by darklight after one inverse attobarn of data taking

Por cierto, la colaboración DarkLight pretender buscar señales de un fotón oscuro en colisiones electrón contra protón. Usa el haz de electrones a 100 MeV con una intensidad de 5 mA del Laboratorio Jefferson. La fase I del experimento está tomando datos y debería publicar sus primeros resultados durante el año 2016. Lo más interesante será la fase II que se espera que alcance un inverso de attobarn de colisiones, que se iniciará el año próximo. Más información en The DarkLight Collaboration, “The DarkLight Experiment: A Precision Search for New Physics at Low Energies,” arXiv:1412.4717 [physics.ins-det].

En resumen, por ahora solo tenemos indicios. Todos deseamos que se confirmen (los fotones oscuros son una predicción de las teorías de gran unificación y de la teoría de cuerdas/teoría M). Pero por ahora debemos ser muy cautos.

29 comentarios

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espaidual espaidual

sorprendente!

como es que APS no le dedicó un Spotlight o entrada en Physics?
Entiendo que hay que ser cautos, pero la relevancia parece que bien lo merece, por no hablar de las ventajas a nivel editorial.

reneco reneco

Como me complican la vida, aún no se que es materia oscura y ya me están presentando a un fotón oscuro.

Marco Marco

Lo tengo que leer con calma, pero mi impresión siempre ha sido que nuestra comprensión de las partículas fundamentales es artificiosa. Hasta ahora cualquier resultado experimental podía ser más o menos encajado en el modelo, pero es posible que esta buena racha se esté terminando. Bien para la Física, hacen falta rupturas para avanzar.

Lo dicho: me lo leo con calma, gracias por postearlo!

Ernesto Gandolfo Raso Ernesto Gandolfo Raso

Francisco, no habría manera de que se pueda descargar las notas de una manera directa, como si fuera un archivo en PDF.
Saludos y gracias por los excelentes artículos.

Gabriel Domínguez Gabriel Domínguez

Francis: dices que “los fotones oscuros son una predicción de las teorías de gran unificación”… ¿Y no resulta un poco paradójico perseguir al GRAN UNIFICACIÓN y toparnos con una FUERZA FUNDAMENTAL nueva?

Francis Francis

No, las GUT están rotas a baja energía y para las GUT un gran problema es que no existan más interacciones fundamentales de tipo U(1) a baja energía; una nueva es esperada y se puede interpretar como predicción GUT.

Ramiro Hum-Sah Ramiro Hum-Sah

Perdone Francis respecto a su ùltimo comentario:

Tal vez sea mucho pedir: ¿Hay algún review del estatus de las teorías GUT que usted recomiende ?

Francisco R. Villatoro Francisco R. Villatoro

Ramiro, poco ha cambiado en 30 años. La vida media del protón solo descarta SU(5) pura, no afectando a SO(10), E6, u otras… A mí me gusta E6. No sé qué review recomendarte (todos los clásicos siguen tan frescos hace 20 años como ahora).

Ramiro Hum-Sah Ramiro Hum-Sah

Gracias Francis 🙂

Preguntaba porque hace unos días leía un libro de divulgación de Kerson Huang y hablaba lo de interesante que es que el modelo mínimo de SU(5) no fuese la respuesta cuando en la escala electrodébil la navaja de Ockham triunfó.

Muchas gracias de cualquier forma

Daniel Daniel

Francis:
¿Por qué se habla de una nueva “fuerza” fundamental, y no solamente de una nueva partícula?
¿Qué sería esa fuerza, si es posible describirlo en términos simples?
Gracias desde ya.

Francisco R. Villatoro Francisco R. Villatoro

Porque se han observado indicios de un nuevo bosón vectorial (similar al fotón y al gluón), no un nuevo fermión (similar a un electrón o un quark). En términos simples sería una fuerza muy parecida al electromagnetismo, pero de corto alcance (porque sus “fotones” tienen masa); seria parecida, si las conoces, a las fuerzas de Yukawa para los piones en el núcleo. Su carga (similar a la eléctrica) la tendrían los leptones (electrones, muones, etc). Por ahora parece que, o bien no la tendrían los quarks, o bien tendrían un valor muy pequeño de dicha carga comparado con los leptones.

Izar Izar

¿No te parece Francis que al final lo único que distingue a las diferentes interacciones es la intensidad con la que decrecen con la distancia?

Izar Izar

Simplificando mucho, fuera a parte de sus efectos subyacentes, las interaciones son intercambios de energía. La intensidad y la velocidad de dicho intercambio con respecto de la distancia que los separa parece ser lo que las diferencia. Si fabulamos con el supuesto que todas las partículas tienen todo tipo de interacciones, distinguiremos a unas y otras por las que produzcan más efectos sobre las demás. Es una hipótesis sobre la que trabajo.

Mario Mario

“Simplificando mucho, fuera a parte de sus efectos subyacentes, las interaciones son intercambios de energía. La intensidad y la velocidad de dicho intercambio con respecto de la distancia que los separa parece ser lo que las diferencia. Si fabulamos con el supuesto que todas las partículas tienen todo tipo de interacciones, distinguiremos a unas y otras por las que produzcan más efectos sobre las demás. Es una hipótesis sobre la que trabajo.”

Hombre, a parte de intercambiar energia se intercambian muchas otras cosas: momento angular, cargas, etc…
Lo de “fabular con el supuesto de que todas las partículas tienen todo tipo de interacciones”: NO, rotundamente no… siento chafarte el trabajo, pero te aseguro que por ahi no vas a llegar a ninguna parte. La forma de distinguir las partículas no es esa.

Saludos!

Izar Izar

Gracias por tu advertencia Mario, ¿serias tan amable de explicarme en que consisten esos intercambios de cargas? Si hablamos de partículas elementales entiendo que te refieres a los piones.
Un saludo.

Mario Mario

Buenos días,

Los piones no son elementales, se componen de combinaciones quark-antiquark. En cuanto a los intercambios de cargas, estos pueden ser de carga eléctrica (bosones W) y carga de color (gluones).

Izar Izar

Disculpa Mario, pensaba que te referías a la desintegración de los piones en muones y neutrinos. No obstante, aun suponiendo que se intercambien cargas eléctricas para transformarse en otras partículas a mi entender el intercambio no deja de ser energético, si bien es verdad que deberíamos re-interpretar el concepto de energía en el caso de la repulsión eléctrica entre cargas del mismo signo. Por otra parte, que duda cabe que transmitir “momento” (angular o lineal) es transmitir energía.
Podemos hablar de sabores y colores y la cosa no cambiaría más que en la sintaxis.

botswanafire botswanafire

No me queda claro por lo que se ha dicho en otras webs ¿estos fotones oscuros tienen que ver con la materia oscura astrofísica o no? Gracias. Saludos.

Francis Francis

Si existen darían lugar a materia oscura cálida, que sería una contribución no nula, pero parcial, a la materia oscura fría que observamos en el universo. Toda la materia oscura que observamos no puede estar formada solo por fotones oscuros de 17 MeV.

Amarashiki Amarashiki

¿Cómo cálida quieres significar “hot dark matter” o “warm dark matter”? El castellano aquí resulta algo confuso…Creo que quieres decir WDM pero el uso de cálido puede tomarse por hot…Estos fotones oscuros no creo sean ultrarrelativistas (HDM)…

Mario Mario

Francis, no soy un experto en materia oscura pero para ser un buen candidato a materia oscura, este debe de ser estable (protegido por alguna simetria tipo Z_2, o otros), no?
Es decir, este (posible) foton oscuro que interacciona con fermiones del modelo estándar puede satisfacer los límites astrofísicos de abundancia, etc?

Saludos!

Plansky Plansky

¿Esta fuerza fundamental está relacionada a la unificación electrodébil por el mecanismo de Higgs que valió ese premio nobel del ’79 a Weinberg, Glashow y demás? ¿Es la hipercarga eléctrica esa carga eléctrica del bosón ahora estudiado? ¿Nos permitirá entender mejor la monopolaridad magnética que solemos buscar desde Paul Dirac y desde antes?
¿Es el fotón oscuro algo superior al higgs para entender como acoplan la fuerza electromagnética y la nuclear débil? es la pregunta que engloba a las tres.

Izar Izar

No veo qué relación podría tener un bosón de interacción cercana con la interacción electromagnética que es de alcance lejano. Lo que parece ser (aunque esta muy lejos de ser probado) por lo que entiendo, es que este nuevo bosón sería una interacción de muy corto alcance equiparable al fotón de la electromágnetica. Sería inapreciable mas allá de la escala atómica y por eso lo de “oscuro”. Lo que rompe los esquemas es que tenga masa, pero no debería extrañar mucho si su interacción es de corta distancia.

Francisco R. Villatoro Francisco R. Villatoro

Izar, una nueva interacción U(1) se dice mediada por un fotón oscuro si la masa de su bosón gauge es de keV-MeV y se llama bosón Z prima si la masa es GeV-TeV. El nombre, obviamente, es lo de menos.

Izar Izar

Claro, obviamente el nombre es una etiqueta, yo la llamaría “Pepa” para no liarnos por ahora. Ahora bien, ¿podemos afirmar que esta interacción será más corta cuanto mayor sea la masa de Pepa?

Francisco R. Villatoro Francisco R. Villatoro

Plansky pregunta: ¿Relacionada con EW? No. ¿Hipercarga? Obviamente, no. ¿Monopolos? No. ¿Algo superior? No se entiende la pregunta. Se trata de un nuevo bosón. ¿Cuántos faltan por descubrir? No lo sabemos, pero podrían ser cientos (hasta la escala de Planck hay mucho hueco).

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